给排水构筑物中厚板结构设计理念及方法探讨

张达石 边小宇 张宸

(上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司 200125)

引言

近年来，随着水处理构筑物工程规模的逐渐扩大及环保要求的提高，加盖构筑物及整体式污水处理构筑物逐渐增多。同时还存在上部覆土种植绿化或设置行车通道等情况，上覆较大荷载促使水处理构筑物中出现了大量的厚板结构，板厚一般在250mm～350mm左右。对于这类厚板结构，大部分设计师的设计理念是：首先按照经验将板结构划分为由主次梁分割而成的一定尺寸范围内的板，然后采用PKPM或者简化的方式进行梁内力的计算和梁截面设计，再按照梁格分出的板区域对板进行计算，根据计算结果进行板的配筋。同时，一般选定梁的尺寸时，认为梁超过了2倍板厚就可作为板的固定约束边界。

采用上述传统对于厚板梁板体系结构的设计理念和方法进行板内力计算的结果，与实际的板在自重及外荷载作用下的内力分布存在较大的差异，有着较大的安全隐患，故该方法已经不能适应此种结构体系的设计计算。

本文首先从工程实例出发，以一座一体化式污水处理构筑物的中间行车道板为例，采用有限元软件建模分析了传统设计方法的问题所在，并进一步分析了厚板情况下的梁板结构体系中，板受力特性及主次梁设置和尺寸对板内力的影响。同时对比分析了板厚同梁高相对关系对内力分布的影响，最终提出该类结构设计理念及计算方法的建议，旨在探索一种该类型结构设计时较为合理的处理方式，确保设计计算分析安全可靠并提高给排水构筑物结构设计水平，希望对今后类似结构的设计起到一定的参考作用。

1 工程实例分析

1.1 工程概况

株洲市龙泉污水处理厂三期工程，采用单层地埋式一体化构筑物，平面尺寸为130.4m×88.4m，深度7.5m，中间贯通设一条净宽7.5m的行车通道以便运营阶段车辆通行。考虑设备更换及吊装等作业，设计通行车辆极可能是重车，但车型无法确定，因此，设计荷载考虑了40kPa的均布荷载。最初设计方案参考之前类似工程，顶板厚度取300mm，横向设间距3.5m～4m的主梁(500mm×1000mm)，纵向中部设一道贯通的次梁(300mm×600mm)，具体布置如图1所示。

1.2 传统理念设计构造及计算

按照上述布置，根据传统设计计算方法，采用主梁根据所承担的板块荷载，按照两侧简支进行计算；次梁根据分担的板荷载，按照支撑在主梁上的多跨连续梁进行计算，最终板根据主次梁分割成的板块，按照四边固结的矩形板进行计算。按照3.5m×4m单块板计算内力的结果如图2所示。

1.3 有限元整体计算

对于上述结构，采用有限元软件midas civil建立结构梁板体系整体模型(图3)进行计算分析后，发现板的内力分布及数值与传统计算方法差异较大，具体结果见图4。

从图4中计算结果的弯矩分布看，采用整体计算时，横向弯矩并没有因为中部贯通次梁的设置而在次梁位置出现负弯矩，整体上还是跨中为正弯矩，两端为负弯矩，且弯矩数值较传统算法的大近1倍。纵向弯矩因为主梁的设置，对板块起到了分割作用，可以认为板是支撑在主梁和两侧墙上的双向板，但因为主梁的刚度同侧墙相比较小，所以纵向弯矩的分配是正弯矩比负弯矩大。而从整体来看，次梁的设置没有起到支撑的作用，板块还是按照横向为主受力方向。

图1 车行道板设计Fig.1 The design drawing of traffic lane board

根据上述对计算结果的分析，本工程最终设计方案取消了中部的次梁。

图2 单块矩形板计算弯矩(单位：kN·m/m)Fig.2 The bending moment ofa single plate(unit: kN·m/m)

图3 有限元整体模型Fig.3 The finite element model of structure

图4 有限元整体计算板内弯矩(单位：kN·m/m)Fig.4 The bending moment of plate by integral finite element method (unit: kN·m/m)

根据1.2节和1.3节的结论，采用传统方法计算的板为双向板，而采用整体有限元计算时，板的受力趋向于单向板，次梁的分割作用很有限。

1.4 优化的结构构造型式及计算结果

实际采用的行车通道结构设计如图5所示，其中梁截面尺寸为500mm×1000mm，布置间距为3.5m，板厚300mm，两端部同墙相接部位采用300mm×500mm的加腋，以更好地承担该处的板端应力。

上述结构整体模型在设计荷载下标准组合的内力计算结果如图6所示。

主梁的作用主要是减小板的横向弯矩。若不设主梁，仅为300mm厚板，计算得到的板横向正负弯矩分别为127kN·m/m和-193kN·m/m，主梁的设置使得正弯矩减小到原来的0.34，负弯矩减小到原来的0.46。

按照无次梁的计算结果同有次梁的计算结果主要内力计算结果对比如表1所示。由表1可见，次梁的设置对于横向弯矩计算结果的影响基本上可以忽略，而对纵向弯矩的影响较大，但因为纵向弯矩不是控制因素，所以本工程将次梁取消是合理的优化方案。

图5 实际车行道板设计Fig.5 The design drawing of traffic lane board

表1 有无次梁结构中板内力计算结果对比Tab.1 The contrast between the internal force of plate in structure with and without secondary beam

2 厚板结构体系与内力分布研究

根据上述案例分析结果可以得出，传统按照梁格分割板的设计计算理念，实际在某些情况下存在很大问题。因此，有必要对这一问题进行深入的研究，以期找出影响梁对板分割作用的主要因素。

研究采用的结构构造是上述工程案例中的行车道板结构，考虑两种情况：1)板厚不变，梁高变化对板内力分布的影响；2)梁高不变，板厚变化对板内力分布的影响。以上两种情况均考虑设置主次梁，结构构造见图1，计算模型见图3。

2.1 梁高对板内力分布的影响分析

考虑板厚为300mm(此值为目前设计中车行道板一般取值)不变时，主梁宽度取500mm，主梁高度取800mm、1000mm、1200mm、1500mm、1800mm五种。次梁宽度取300mm，对应主梁的次梁梁高取700mm、900mm、1100mm、1400mm、1700mm五种。

采用有限元整体建模分析，板内弯矩计算结果见表2，从表2计算结果的分析看，在8m单向板跨度下，选择300mm厚板结构做梁板体系设计，次梁高度即使在达到了接近6倍板厚的情况下，对板横向也基本上起不到分割作用，反而增加了结构重量，加大了施工难度。因此，厚板结构设置无支撑次梁的合理性有待商榷。同时从主梁固结支座效果可以看出主梁高度在达到板厚2倍后，对板有分割作用，但即使到了6倍板厚，固结边界约束效应也没有完全发挥出来。

2.2 板厚对板内力分布的影响分析

考虑梁高不变时，取板厚为100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共五种，主梁宽度取300mm，主梁高度取1000mm。次梁宽度取300mm，次梁高度取900mm。

表2 相同板厚-不同梁高下板内力计算结果Tab.2 The computational result of internal force of plate in condition of the same thickness of plate anddifferent height of beam

注：1. 表中弯矩正值为下缘受拉，负值为上缘受拉；2.表中固结支座效果是整体分析时梁轴线处板弯矩同传统的考虑梁为板固结边界条件时计算的板支座弯矩的比值；表3同。

采用有限元整体分析，板内弯矩计算结果见表3，从表3计算结果的分析看，在8m单向板跨度下，固定主次梁高度，做梁板体系设计，次梁的作用在板厚150mm时，梁高达到6倍板厚以上的情况下，对板有部分分割约束作用，而当板厚取200mm以上时，梁高在接近5倍板厚情况下，对板的分割约束作用也基本上没有了。主梁对板的分割作用一直存在，梁支座效果与板跨厚比和梁高与板厚的比值有关，且均为正关系，但由于纵向弯矩不是设计的控制因素，其作用主要是减小板在横向两端同墙相交位置的弯矩，所以设置沿纵向布置的横向主梁是有必要的。

表3 相同梁高-不同板厚下板内力计算结果Tab.3 The computational result of internal force of plate in condition of the sameheight of beam and different thickness of plate

续 表

注：括号中数值为采用简化的四边固结矩形板内力计算结果。

3 结论和建议

本文对水处理构筑物中的车行通道板结构的受力进行了研究。考虑到在目前传统设计的车行道板常采用厚板结构，而下部又无法设立柱的情况，对该类大跨度承重厚板结构的构造采用有限元分析，得出了如下结论和建议：

1.对水处理构筑物中行车道板等厚板结构的设计工作，采用主次梁可有效分割板，同时梁对板起到固结作用的设计理念与实际情况存在较大的差异，且存在计算结构较实际内力较小的设计风险；

2.在大跨度厚板结构中，次梁设置意义不大，既增加了横向板块的内力，又增加了施工难度，今后的设计中应注意避免或减少次梁的设置；

3. 建议今后大跨度厚板结构的设计计算采用有限元整体梁板体系建模进行分析计算，以获得安全合理的设计内力分布及数值；

4. 行车道板在横向两端同墙或刚度较大的梁相接部位应设置腋角加强，若是支撑在墙上，墙顶宜设置压顶梁协调梁产生的应力集中；

5.在板满足局部受压、抗冲切承载能力及挠度控制的前提下，在采用传统方法计算梁板体系时应尽量避免采用厚板，需控制板的跨厚比在合理范围内；

6. 因梁板体系中梁的约束效果除了和梁高同板厚的比值有关外，梁自身的刚度(可以认为高跨比)也是一个主要因素，因此，今后做类似的梁板体系设计时，建议采用整体分析，以得到安全经济合理的设计方案。