国外某消化池结构优化设计

吴晨旭 郎庆善

(浙江省城乡规划设计研究院 杭州310030)

引言

当前在“一带一路”战略大背景的影响下, 我国的水处理公司也开拓了很多的国外市场, 为相关国家的水处理事业和环境保护事业的发展做出了巨大的贡献。 但是, 涉外工程项目的建设过程并非一帆风顺, 其中最突出的问题就是要结合所在国家的建筑材料以及材料价格来控制成本。 因此, 也要求结构设计要更加的合理、 更加的精细, 对结构设计提出了更高的要求。

本文将以尼泊尔首都加德满都某污水处理厂消化池的结构优化设计为例做简要介绍。 消化池原本已经由国内相关单位完成了结构设计, 采用普通钢筋混凝土结构, 结构厚度较大, 钢筋用量较多。 但是由于尼泊尔的混凝土价格以及钢筋价格均比国内的价格高出很多, 经过测算本消化池的投资远高于国内同类工程项目, 因此业主要求对该消化池的结构设计进行优化从而控制主体结构建造成本。

1 工程及原设计概况

尼泊尔某污水处理厂共有2 座消化池。 池体内径16m, 结构总高度19.2m。 结构主体自下而上由倒圆锥壳、 底环梁、 圆柱壳、 上环梁、 锥壳、 集气室、 顶板等单元构件组成。 原设计池体剖面示意见图1。

图1 消化池剖面Fig.1 Section of anaerobic digester

因尼泊尔执行印度规范《PLAN AND REINFORCEED CONCRETE CODE OF PRACTICE》(IS456∶2000)[1], 因此原设计的结构材料均选用当地符合印度规范的材料。 混凝土强度等级M40, 150mm 立方体28d 混凝土抗压强度标准值40N/mm2； 钢筋等级为 Fe500, 钢筋屈服强度500N/mm2。

原设计圆柱壳的壁厚为750mm, 环向钢筋随高度而变化, 由25@ 100mm 过渡到20@150mm。 原设计基础采用D=400mm 钻孔灌注桩基础, 桩顶设置300mm 碎石垫层, 碎石垫层上再做300mm ～2480mm 厚的倒圆锥M40 素混凝土底座, 然后再在素混凝土底座上浇筑消化池底板。 基础剖面示意见图1。

2 优化思路分析

根据类似工程经验以及对此消化池结构做法的初步分析, 确定结构优化的重点在于两点:

首先, 是针对圆柱壳的优化, 因为圆柱壳采用普通钢筋混凝土结构, 壁厚较大, 钢筋用量较多。

其次, 是针对基础做法的优化, 因为基础已经采用了钻孔灌注桩基础, 底板下的素混凝土底座可以优化处理, 减少混凝土的用量。 后续将针对这两点进行分析说明。

3 普通钢筋混凝土消化池结构内力分析

3.1 荷载工况

当采用普通钢筋混凝土结构时, 本工程消化池考虑以下几种荷载[2,3]:

(1) 结构自重: 钢筋混凝土容重γG=25kN/m3；

(2)内水压: 污水容重γw=11kN/m3； 国内设计一般消化池污水容重取10.5 kN/m3, 但是本工程的国际监理工程师要求污水容重取11kN/m3。

(3)内气压:4.0kN/m2(根据工艺条件)；

(4)活荷载:4.0kN/m2；

(5)温度荷载: 考虑壁面温差为10℃；

(6)外土压: 根据结构埋深按实际计算确定,同时需要考虑地震荷载参与组合的动土压力；

(7)地震荷载: 根据印度规范《CRITERIA FOR EARTHQUAKE RESISTANT DESIGN OF STRUCTURES》(IS1893 ∶2016)[4]考虑水平地震荷载组合, 包括自重惯性力、 动水压力和动土压力。 关于地震荷载需要特别说明的是, 在尼泊尔2015 年大地震后, 将抗震设计的要求大幅度提高。 监理要求抗震计算时的参数均取IS1893 的最大值, 区域系数取值为0.36g(g为地震加速度), 重要性系数为1.5。 地震影响超过国内的8度区较多, 因此地震荷载的影响比较大, 这一点与国内水池大部分不考虑抗震荷载的情况区别较大。

消化池根据不同的工况阶段荷载组合较多,需要分别考虑施工阶段、 试水阶段、 使用阶段、检修阶段。 以下仅列出主要的荷载组合工况:

组合1: 结构自重+内水压+内气压+活荷载+温度荷载+地震荷载；

组合2: 结构自重+外土压+活荷载+温度荷载+地震荷载；

组合3: 结构自重+内水压+内气压+外土压+活荷载+温度荷载+地震荷载；

其中组合1 为控制荷载工况。

3.2 计算模型

结构分析采用SAP2000 有限元计算分析软件进行建模分析。 池体采用壳单元进行模拟, 环梁采用框架梁单元进行模拟。

材料信息、 地震参数的输入选择印度规范的相应版本并进行相关的材料参数设置。 荷载工况以及荷载组合根据实际工程进行输入。

边界条件: 由于本工程采用钻孔灌注桩基础, 因此底板的边界条件考虑为固结。

3.3 内力计算

对于消化池的结构设计来说, 对结构截面起控制作用的通常是环向拉力和竖向弯矩, 尤其是环向拉力[6]。 环向拉力主要由池内水压力产生,当考虑温度作用时, 温度作用产生的环向拉力和竖向弯矩不可忽略, 当温差较大时完全可能成为控制荷载工况。

对于消化池的圆柱壳来说, 结构设计的重点就是在池内水压力以及温度作用下环向拉应力的控制。 为了更简明扼要地说明问题, 以下仅给出控制荷载组合下的SAP2000 内力计算结果, 荷载组合为: 组合1 =自重+内水压+内气压+顶板活荷载+地震荷载+温度荷载。

圆柱壳的环向拉力以及相应的结构变形如图2 所示。

图2 环向拉力(单位: kN)Fig.2 Diagram of circumferential tension (unit: kN)

圆柱壳的环向拉应力以及相应的结构变形如图3 所示。

图3 环向拉应力(单位: N/mm2)Fig.3 Diagram of circumferential tensile stress (unit: N/mm2)

由SAP2000 的计算结果可以进一步看出原结构设计的不合理之处:

(1)圆柱壳的拉应力最大部位并不是在最下端, 而是基本位于圆柱壳高度的中部。 因此原设计环向钢筋沿着圆柱壳高度方向由上而下递增的配筋方式与实际结构内力不符, 最大的环向钢筋面积并未配置在实际拉力最大的部位。

(2)圆柱壳的最大拉应力2.35N/mm2的数值已经超出了印度钢筋混凝土水池结构设计规范《CONCRETE STRUCTURES FOR STORAGE OF LIGUIDS—CODE FOR PRACTICE》 (IS 3370 ∶2009)[7,8]对于抵抗裂缝混凝土容许拉应力1.8N/mm2的要求。

(3)本消化池设计由于考虑了印度抗震规范的最大地震荷载作用, 因此地震作用影响较大。

因此, 对于原设计进行结构优化很有必要。一个可行的方案就是对圆柱壳施加预应力, 通过预加压应力来抵消大部分内水压力和温度作用下产生的环向拉应力, 从而改善池壁的受力状态。

4 预应力钢筋混凝土消化池结构内力分析

4.1 荷载工况

当采用预应力钢筋混凝土结构时, 本工程消化池所需考虑的荷载除了3.1 节所列出的荷载以外, 增加了预加压应力, 这个预加压应力将作为施加在消化池上的恒荷载[9]。 荷载组合也应根据实际工况相应的调整。

4.2 预应力损失计算

由于尼泊尔当地预应力钢筋的采购问题, 本工程采用国内的无粘结预应力钢绞线, 钢绞线规格为4φ15.2, 抗拉强度标准值为fptk=1860N/mm2,锚具采用夹片式圆形锚具, 千斤顶张拉, 采用后张法, 张拉控制应力为σcon=0.75fptk=1395N/mm2。每圈预应力筋分两段张拉, 每段预应力筋包角180°。 为了减少摩擦损失的不均匀性, 上下相邻2 圈预应力筋相互交错张拉锚固。

预应力损失根据《给水排水工程预应力钢筋混凝土圆形水池结构设计规程》 (CECS216:2006)[5]计算:

(1)张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失σl1=213.5N/mm2；

(2)预应力筋与池壁之间的摩擦引起的预应力损失σl2=245.1N/mm2；

(3)预应力筋的应力松弛引起的预应力损失σl3=48.8N/mm2；

(4) 混凝土收缩徐变引起的预应力损失σl4=50N/mm2；

(5)分批张拉引起的预应力损失σl5, 采用超张拉和补足张拉措施, 此类预应力损失较小, 可以不考虑。

由于σl2距离张拉端越远越大, 而σl1的分布恰好与之相反, 因此取两者最大值[9]。 总预应力损失为∑σl=343.9N/mm2。 有限预应力σpe=1051.1N/mm2。

4.3 计算模型

SAP2000 有限元模型在之前的模型基础上进行适当调整即可。 圆柱壳壁厚由750mm 改为400mm, 并增设预应力束对圆柱壳施加预应力。预应力筋选用4φ15.2 的钢绞线, 单根钢绞线截面积As=140mm2。

根据多次试算, 预应力筋在圆柱壳高度范围的2m ～5m 范围间距@ 250mm, 其他范围间距@500mm。

试算时按照国内规范《给水排水工程预应力钢筋混凝土圆形水池结构设计规程》(CECS216∶2006)在无地震荷载参与组合的工况下不出现拉应力的要求作为控制标准。

4.4 内力计算

在3.2 节荷载组合1 的基础上叠加预应力荷载后的圆柱壳环向拉力结果如图4 所示。 从图4中可以看出, 在地震作用参与组合的工况下圆柱壳仅有很小的拉力存在(拉应力远小于印度水池设计规范规定的容许拉应力值), 内水压力与预应力钢束产生的压力大致抵消。

图4 施加预应力后环向拉力(单位: kN)Fig.4 Diagram of circumferential tension with prestressing (unit: kN)

圆柱壳的环向拉应力如图5 所示。 从图中可以看出, 施加预应力后圆柱壳拉应力大幅度减小。

图5 施加预应力后环向拉应力(单位: N/mm2)Fig.5 Diagram of circumferential tensile stress with prestressing (unit: N/mm2)

图5 显示在施加预应力后圆柱壳底部仍有很小的拉应力存在, 这是由于较大的地震荷载作用产生的影响。 如果要满足在地震作用参与组合的工况下无拉应力出现, 则需要继续增加预加应力, 这样会产生较大的竖向弯矩, 又会对结构厚度和配筋产生较大影响。 因此经过设计权衡, 在满足印度水池设计规范抗裂容许拉应力(远小于抗裂容许拉应力)的情况下, 报请监理批准并通过设计。

4.5 采用预应力后优化效果

采用预应力后, 圆柱壳壁厚由750mm 减少到400mm, 圆柱壳部分的混凝土用量相应减少约200m3。 此外, 环向钢筋用量也相应减少约20t。根据当地的原材料价格测算, 单池可节约土建原材料投资约38 万元人民币, 两座则可以减少土建原材料投资约76 万元人民币。 即便考虑到预应力施工会增加一些费用, 但是节约的原材料成本依然非常的显著, 具有明显的经济效益。

5 基础优化

原设计在钻孔灌注桩的桩顶设置了300mm厚的碎石垫层以及厚度很大的素混凝土底座, 因此基础的混凝土用量较大, 仅素混凝土底座的用量就达到约600m3。 而当地混凝土的价格较为昂贵, 因此素混凝土底座造价较高。 原设计已经采用了钻孔灌注桩基础, 且经过计算复核, 桩基完全可以满足印度桩基规范《DESIGN AND CONSTRUCTION OF PILE FOUNDATIONS -CODE OF PRACTICE》(IS2911(Part 1/Sec 2)∶2010)[10]关于钻孔灌注桩对单桩承载力以及群桩承载力的要求。 也就是说, 原设计的桩基已经可以满足承载力要求。 因此素混凝土底座的设置并不经济, 在确保承载力的前提下, 完全可以将钻孔灌注桩与底板直接连接, 从而取消素混凝土底座减少混凝土用量, 同时取消桩顶的300mm 厚碎石垫层以节约投资。

针对以上分析, 采用台阶状的底板, 将钻孔灌注桩的桩顶直接嵌入钢筋混凝土底板, 优化后的底板剖面见图6。

优化后单座消化池基础的混凝土量可以减少472m3, 碎石垫层减少86m3, 根据当地的原材料价格测算, 单座消化池基础可以减少土建原材料投资约60 万元人民币, 两座则可以减少土建原材料投资约 120 万元人民币。 经济效益十分可观。

图6 优化后的基础剖面Fig.6 Section of optimized foundation

6 结论

1.对消化池采用预应力技术后, 结构断面尺寸以及用钢量均得到了优化, 减少了结构原材料的用量, 节省了投资。

2.对于采用钻孔灌注桩基础的消化池基础,基础构造做法应尽量简洁。 本工程对基础进行的优化处理大幅度节约了投资。

通过对消化池的结构优化设计, 取得了较好的技术经济效益, 也为以后类似工程的设计积累了经验。