考虑变形协调影响的南通市某污水厂生化池设计

王 印 陈令才 崔 云

（1.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210001；2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210023）

0 前言

在给排水工程构筑物结构设计过程中，设计人员往往更重视对承受水土压力的壁板内力分析，而对不承受水压力的导流墙和因检修而设置的局部水平梁板等相对次要构件重视不足。规范[1]和《给水排水工程结构设计手册》[2]对敞口水池、有盖水池壁板简化算法都有规定，但对顶板有局部水平梁拉结的情况则没有说明。由于适用于给排水构筑物的有限元设计软件不够普及，设计人员常常采用简化的单构件设计方法，对构件之间的变形协调、内力传递也缺少准确的分析。生化池尺寸较大、导流墙设置较多并且顶部会因为检修或推流器安装而设置局部水平梁板，这类水池在水压力的作用下变形较大，各构件连接节点变形也更大，当采用简化的设计方法时，由于计算误差较大，因此可能存在一定的安全隐患。

在南通市某污水处理厂生化池的设计中，笔者采用midas Gen 有限元分析软件整体建模，着重对导流墙、局部水平梁进行分析，总结了这类构筑物设计时设计人员需要重点注意几个问题，以供广大设计人员参考。

1 方案设计

该工程新建2.5 万m3/d 生化反应池，采用AO+MBBR工艺，钢筋混凝土结构，一座2 组。单组水池长64.2m，宽42.4m，壁板高7m，设计水深6.8m，为地上敞口式水池。水池长方向设两道伸缩缝将水池分为三个区格，作为三个独立的结构单元，短方向设一道后浇带。外壁板采用变截面，底部厚700mm，顶部厚400mm；内部导流墙采用等截面，壁厚300mm，混凝土强度等级为C35，单组生化池结构布置如图1 所示。

图1 单组生化池结构示意图（单位：mm）

该文选取具有代表性的区格一采用midas Gen 进行计算，梁采用梁单元，其余壁板及底板采用板单元，其中外壁板按变截面建模，板分割尺寸为0.5 m。当梁单元与板单元平面内连接时，连接处采用设置辅助刚性梁单元的方法模拟梁端转角约束。约束水池四角底部节点的水平方向位移，采用面弹性支承模拟底板下土体作用。

该文列举的内力值除注明外，均为试水工况基本组合（1.3GK+1.3FWK）下的计算结果，板单元内力值为单元中心值，区格一模型如图2 所示，节点二处梁截面尺寸为300mm×400mm，节点三处梁截面尺寸为300mm×600mm。

图2 生化池模型示意图

2 结构计算要点

2.1 导流墙对外壁板的支座作用

由于生化池内部导流墙通常设洞口连通，因此盛水工况比较简单，一般仅外壁板承受水压力。设计人员往往将外壁板按挡水墙结构设计，壁板按竖向悬臂结构计算并配置钢筋，水平方向在外壁板相交处按规范[1]对角隅区计算内力并配置局部支座负筋，中部则按分布钢筋构造配置。内部导流墙不承受面外水压力，截面尺寸一般较小，仅按构造要求对其配筋，而忽略其对外壁板的支承作用。通过有限元计算可以发现，节点一处导流墙截面尺寸虽然较小，但是导流墙与外壁板垂直相交，导流墙平面内刚度很大，能够提供较大的拉力，此时，导流墙对外壁板有明显的支承作用。节点处外壁板支座负弯矩达到187 kN·m/m，该值已经接近按水池规范角隅区弯矩公式计算值。此处，外壁板内侧必须增加水平钢筋以满足承载力及裂缝控制要求。导流墙处壁板在水压力作用下变形及水平弯矩分布如图3 所示。

笔者对该例中的节点三处外壁板进行试算，对类似生化池外壁板这种长度与高度之比较大的竖向单向板，导流墙的位置与壁板支座负弯矩值呈一定规律变化：当导流墙靠近外壁板端支座时，支座弯矩Mxx值最小。越靠近跨中则支座弯矩越大，但弯矩增量趋缓，跨中处达到最大。计算结果如图4 所示，图中Lx为导流墙距离端支座距离，L0为外壁板水平长度。

图4 导流墙位置引起的支座弯矩变化

2.2 池顶水平梁对外壁板的支座作用

梁作为受弯构件，其对受力壁板的面外支座作用也容易被忽视，文献[4]指出拉梁对壁板的约束作用不可忽视，而且常规的简化算法不能计算这种支座作用引起的内力。对节点二、节点三进行计算可知，梁和受力壁板变形协调，对壁板有明显的拉结作用。水平梁虽然仅拉结在壁板顶部，但是水平弯矩从顶部到底部均表现为局部负弯矩。对节点二来说，由于梁位于导流墙平面内，抗侧刚度较大，对外壁板支座的作用更明显，表现为局部负弯矩值更大；对节点三来说，由于梁与导流墙正交，抗侧刚度较小，因此对外壁板支座的作用相对较弱。计算结果如图5、图6 所示。

图5 节点二处外壁板变形及水平弯矩

图6 节点三处壁板变形及外壁板水平弯矩

值得注意的是，节点三导流墙由于变形协调也出现局部弯矩，在该例中由于水平梁作用于两道导流墙，导流墙内力较小（如图7 所示，最大值为57 kN·m/m），按构造配筋已不能满足裂缝控制的要求。对水平梁仅作用于一道导流墙的情况来说，导流墙局部必然需要配置更多的钢筋。

图7 节点三处导流墙弯矩

2.3 池顶水平梁的设计

由2.2 节分析可知，池顶水平梁与外壁板在水压力作用下变形协调，在外壁板内引起局部负弯矩，在梁内则引起较大的轴力及弯矩。内水压力作用标准组合（1.0FWK）下计算结果如图8、图9 所示。节点二和节点三处梁内力有明显差别，经过分析可知这种杆件内力随抗侧刚度的变化具有一定的规律性。

图8 节点二处水平梁在水压力作用下弯矩及轴力

图9 节点三处水平梁在水压力作用下弯矩及轴力（双跨梁）

轴力方面，节点二水平梁与导流墙面内连接，抗侧刚度较大，水平位移很小，引起的梁内轴力值更大，达到427.5kN；而节点三水平梁与导流墙面外连接，抗侧刚度较小，水平位移较大，梁内轴力得到一定释放，轴力值为101.9kN。

弯矩方面，由变形协调作用引起的弯矩由支座转角θ和支座竖向位移Δ 两方面组成，该例中由水压力引起的竖向位移在节点二和节点三处没有明显的差别，因此主要考虑支座转角的影响。根据《建筑结构静力计算实用手册》[3]可知，当两端固定单跨梁支座转角为θ时，梁端弯矩为弯矩与梁线刚度及支座转角成正比。虽然该公式不能直接用于该工程的梁端弯矩计算，但是可以帮助理解梁端弯矩的相对大小及方向。

节点二处的水平位移很小，节点转角主要是由壁板挠曲变形引起的。节点三的水平位移较大，引起的节点转角明显大于节点二，表现为梁支座弯矩值更大，最大值为57 kN·m。这个规律可以通过删除节点三处一跨梁得到进一步验证（如图10 所示）。此时节点三处抗侧刚度显然比连接两道导流墙时更小，通过表1 对计算结果的汇总可以更直观地看出这种规律。

图10 节点三处水平梁在水压力作用下弯矩及轴力（单跨梁）

表1 不同抗侧刚度引起梁轴力及弯矩

另外，值得注意的是节点二和节点三梁与外壁板交接处梁端弯矩方向相反，这个差别可以对比节点处变形得到解释：节点二处由于节点水平位移很小，壁板局部竖向变形类似于两端固结梁，节点转角方向θ与水压力作用方向一致，支座处池内一侧受拉；节点三处由于节点水平位移较大，壁板及水平梁变形类似于承受水平荷载的侧移框架，节点转角方向θ与水压力作用方向相反，节点处外壁板池外一侧受拉。

通过这节分析可知，这部分内力值在梁截面设计时不可忽略，甚至起到主导作用。因此，池顶水平梁不能根据跨度及竖向荷载进行设计，否则可能存在较大的安全隐患。

水平梁与受力壁板变形协调引起的内力有时会让壁板及梁配筋困难。鉴于这种情况，笔者在该项目中采取措施对梁端约束进行释放，即在外壁板与梁相交处设牛腿，使外壁板仅承受梁端竖向力，那么可以简化壁板及梁内力计算，节点设计如图11 所示。需要注意的是牛腿须设计足够的梁支承宽度，以免水压力和地震力作用下壁板变形造成梁端滑移脱落。

图11 壁板设牛腿释放梁端约束（单位：mm）

2.4 伸缩缝位置的选取

该工程生化池长64.2 m，沿长方向设两道伸缩缝。伸缩缝的位置应选择在温度应力最大的地方，一般将池体等分。经过前面的分析可知，导流墙、池顶水平梁均对外壁板变形具有一定的约束作用，伸缩缝距离这类约束距离越近，变形越小。因此，选取伸缩缝位置时也应考虑伸缩缝距离两侧这类约束构件的距离，使伸缩缝处两边壁板变形值尽可能地接近，以免变形差过大造成橡胶止水带破坏或影响橡胶止水带耐久性而发生漏水事故。

3 结论

通过计算及结果对比可以得到以下4 个结论：1）导流墙对承受水压力的外壁板具有明显的支座作用，支座负弯矩值控制外壁板配筋；弯矩值大小随导流墙的位置变化，当导流墙位于外壁板跨中时，弯矩值达到最大。2）池顶局部水平梁对承受水压力的外壁板也具有支座作用。由于抗侧刚度差异，因此导流墙支座作用最明显，其次为与导流墙平面内连接的梁。这个支座作用影响外壁板内力分布及配筋。对梁与导流墙平面外连接的情况，也可能会影响导流墙的配筋。3）对水平梁与受力壁板变形协调引起的梁内力，随连接处抗侧刚度的变化具有一定的规律性且应注意弯矩方向。这部分内力在梁截面设计时不可忽略，否则可能存在较大的安全隐患。在工程中也可对连接节点进行优化设计释放梁端约束，以简化壁板及梁内力计算。4）在选取伸缩缝位置时，也应考虑导流墙及水平梁对外壁板变形的约束作用，使变形缝处两侧壁板变形值尽可能地接近，以免变形差过大造成伸缩缝漏水事故。