超长地埋式二沉池结构英标设计与SAP2000有限元分析

2018-11-09张世春赵远清卢伟杨君华郑一苇

特种结构 2018年5期

张世春赵远清卢伟杨君华郑一苇

（1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司成都610081；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司天津300074）

1 工程概况

随着设计水平不断提高，我国的设计工作也逐步开到国外，但国外设计使用的标准、规范及制图方式与国内有较大的差异，给设计工作造成一定难度。位于马来西亚首都吉隆坡（Kuala Lumpur）的PANTAI 2污水厂，是以英标计算设计的全地埋污水处理工程。本工程设计规模为32.0175万m3／d，主要构筑物为地下钢筋混凝土结构，池顶覆土约1.0m，地面为球场、人工河、景观公园等。

本文重点介绍PANTAI地埋式污水厂中的超长地埋式二沉池主要节点的设计方法及计算方式。二沉池外轮廓尺寸183.30m×98.95m，X1～X17轴埋置深度14.90m，X17～X18埋置深度18.30m，为现浇钢筋混凝土水池结构形式，剖面简图见图1。

2 工程水文地质条件

根据英标提供的地勘标准，给出的勘察报告主要内容为土层描述及各土层的标贯级数，场地主要土层总体描述如下：（1）表层土（Top Soil）：每个钻孔顶面均有一层很薄的表层土，厚度约为0.1m ～0.3m。（2）砾砂或粉沙（Gravelly Sand or Silty Sand）：每个的钻孔均有本类土，颜色通常为棕色，浅灰色到深灰色。从松散到密实的变化规律随着深度很一致，通过标准贯入实验的N值来表示其密实度，本土层的厚度范围为4m～20m。（3）砾质粉土或砂质粉土（Gravelly Silt Sandy Silt or）：本土层的颜色变化范围是浅黄色到带有红色的浅灰色。其颗粒大小较均匀，属砾质粉土和砂质粉土。标准贯级数值N值通常从0到300。（4）粉砂岩／砂岩基岩（Siltstone／Sandstone Bedrock）：本岩层由粉砂岩、砂岩岩层构成。现场出现粉砂岩基岩的钻孔相对较少，颜色为浅灰色到黑色，核心取样困难，中等破碎。

图1 平面及典型剖面简图Fig.1 Typical section plane and sketch

根据在现场勘查期间安装的6个竖管压强计的测量结果，发现地下水位一般在现有地面的0.85m～3.15m以下范围变化。地下水位沿地质剖面图中原始地面标高变化而波动。

3 结构布置设计

3.1 伸缩缝的布置

方案一：按照国标《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB 50069－2002）［1］规定设缝距离设置变形缝。

方案二：按GB 50069－2002设置X向变形缝，Y向变形缝距离增大，并设置适当的后浇带。

方案三：按方案二设缝，不设置后浇带，采用跳仓法施工。

1.方案一分析

二沉池外轴线尺寸为183.30m×98.95m×13.9m，局部X17～X18深17.3m。X向需设置2道变形缝，Y向设置5道变形缝。若Y向按30m设缝则共需设5道变形缝，相当于将二沉池分为独立的18块池体，18块池体间采用止水带连接止水。若采用这种方式处理，单独池体在地震下碰撞将导致池体整体抗震性能差，分块越多则出现橡胶带老化和漏水情况的几率越大。且因工艺流程影响，Y向设缝时需设置双墙，设置双墙将增加造价以及占地面积。

2.方案二分析

因Y向设置变形缝需设置双墙，可能影响工艺布置及增加造价，将Y向设置两道变形缝，X向按规范设置变形缝。则Y向根据工艺流程，可以分为47.6m、87.2m、47.6m 三块，再设置5 处后浇带，可以满足要求。但后浇带设置处要经历整个施工过程，后浇带中难以避免会积杂质及施工过程中产生的垃圾，若不清理干净，将对工程质量造成较大影响；后浇带灌注混凝土前需将两侧凿毛，底板浇筑间隔时间一般为42d左右，工期增加较多。

3.方案三分析

根据方案二中按X、Y向各设置变形缝两道（如图2c），采用间隔分块浇筑方法可控制混凝土水化热，与国内通常所说的跳仓法施工大致相同。跳仓法施工常用的分仓方式有展开跳仓施工、递推跳仓施工及紧凑跳仓施工，本工程面积较大，根据工程实践，选取紧凑跳仓法施工。根据《大体积混凝土施工规范》（GB 50496－2009）［2］国内施工要求仓边不大于40m，但马方政府及监理根据当地习惯及标准，要求施工时单块浇筑面积不大于7m×6m。在施工过程中，加强信息化施工，实时监控混凝土温度，采用测温法实现温控。综合养生措施则采用草袋保温加塑料薄膜保湿，保证降温时间较缓，从而使混凝土的应力松弛效应充分发挥，达到降低约束应力的效果。跳仓法在混凝土施工过程中实时跟进与监控，因混凝土的结构长度和温度应力不是线性关系，超过国内规范规定的地下构筑物30m设缝要求的超长构筑物裂缝是可控的。

图2 二沉池变形缝平面位置示意Fig.2 Sketch map of deformation plane of clarifier tank

4.方案选择

经以上分析，方案三较为适宜。在本工程材料选择时，选用低收缩性水泥，严格控制水泥用量，优化混凝土配合比，从而有效减少混凝土收缩变形和控制混凝土温度应力。严格控制混凝土坍落度及混凝土原材料中粗细骨料含泥量，以达到提高混凝土抗拉强度和极限拉伸变形能力。方案三的分缝方案同方案二，中间两处尺寸标注为池体变形缝位置（见图3）。

图3 水平传力体系梁示意Fig.3 Sketch map of horizontal force transfer system beam

3.2 中板及传力路径设计

传统土压力系数取值为1／3，根据英标、马来标、本工程监理及马来西亚政府相关要求，本工程主动土压力系数取值0.50，由此计算得到的土压力较传统的土压力（ka＝tan2（45°－φ／2））计算值大。二沉池整体埋深14.90m，局部埋深18.30m，埋深较大，受水土压力大。池壁受较大水平力，其传递采用底板、负一层板及池体顶板三条传力路径。由于二沉池负一层大部分无板，水平力无法有效传递，故在沿池壁方向负一层标高处设置800mm×2200mm水平横梁（见图3中Y38轴负一层标高），将原板体系外池壁转换为类梁板体系，可使池壁在负一层标高处形成支点。水平力传递则采用在负一层标高处垂直池壁设置支撑梁，其截面尺寸为1000mm×1200mm，水平间距约6m（见图3中Y30～Y38支撑梁）。支撑除受外池壁传来的土压轴力外，尚有自重产生的弯矩，其计算应按偏压构件计算。

考虑经济效益及分析池壁实际受力情况，外池壁负二层标高处采用400mm×1200mm腋角，采用加腋方式后，外池壁负二层至负一层壁厚取700mm能够满足要求，较为经济合理。池体典型剖面见图4。

图4 外池壁典型剖面示意Fig.4 Typical profile of external pool wall

3.3 结构断面设计

构件的抗弯计算应根据BS 8110［3］相关规定，计算简图如图5所示。

图5 抗弯计算简图Fig.5 Calculation sketch of bending

根据力矩平衡可得：

由式（1）和式（3）可得：

当应力重分布不超过10%时，x＝d／2或z＝d－0.45x＝0.775d。

由式（4）可得K′＝0.156，假定K≤K′，可得无受压钢筋的截面计算为：

否则应配受压钢筋，其截面计算为：

构件抗剪计算根据BS 8110［4］中相关规定，混凝土的抗剪强度采用截面平均剪应力v＝Vmax／（bvd）衡量，在任何情况下v不应超过或5N／mm2。混凝土抗剪的基本公式为：

根据BS 8110［3］，平均剪应力最大位置为H≤av≤2H范围，此范围破裂面的角度为26°～45°，在此范围内最不利，其中引起剪切破坏的是作用在截面X－X上的应力，见图6。和国内标准对于一般板类受弯构件有既定的受剪承载力计算公式不同，英标对于抗剪计算的方法显得更加繁琐。除以上抗弯、抗剪外，受压计算、挠度计算、钢筋应力、裂缝计算等，均依据BS 8110［3］及BS 8007［4］相关规定计算，其中计算裂缝时，应根据板厚选择不同的水泥水化峰值温度与环境温度差值T1。

4 地基基础与抗浮设计

4.1 承载力确定

英标及马来西亚当地常规地勘出具标准，与国内地基有较大的不同，其报告不提供地基承载力特征值，文本及柱状图中仅提供土层相关信息及标贯值。其地基承载力根据BS 8004［5］相关规定，采用公式（9）计算：

图6 抗剪截面破坏面简图Fig.6 the failure surface of shear section

式中：Qall为地基总变形为25mm时的允许承载力（t／m2）；Cb为影响系数，根据土层差异取值不同，其中：粉砂0.75、粉细砂1.00、中粗砂1.50、砂砾层2.00；N为标贯击数；B为构筑物基础宽度（m）；Rw为地下水水位修正系数，基础面在地下水位以上取1.00，基础面在地下水位以下时取0.5；Dt为基础厚度影响系数，Dt＝（1 ＋Df／B）≤2，其中Df为底板厚度。

4.2 抗浮设计

因本工程所在构筑物池体埋深14.90m～18.30m，埋深较大，所处持力层土质好，采用天然地基时，承载力能够满足设计要求，故本构筑物采用天然地基。厂区内有部分单体需采用灌注桩，灌注桩的计算方式也采用标贯级数等参数进行计算。

同时由于埋深较大，地下水位较高，池体自重远不能满足抗浮要求，本工程考虑采用锚杆抗浮措施。与国内抗浮安全系数1.05取值不同的是，BS 8007［4］规定的安全系数为1.10，其基本计算公式见式（10）：

式中：Hw为底板地面与计算抗浮水位高差（m）；W／A为单位面积抗浮结构自重（kN／m2）；γw为地下水容重（kN／m3）。

锚杆承载力计算公式与国内规范大致相同，但其中的安全系数差距较大。锚杆计算公式见式（11）：

式中：Tw为单根锚杆抗拔承载力（N）；As为单根锚杆钢筋的截面积（mm2）；fy为锚杆钢筋的屈服强度设计值（MPa）；Sf为安全系数，BS 8081中临时锚杆取值为2、永久锚杆取值为3。

假定锚杆只能承受拉力，不能受压，属于非线性材料，其中Kp＝15000kN／m。经自重与浮力差值计算，采用2.20m×2.20m的锚杆布置间距，直径40mm的螺纹钢筋（单根锚杆承载力为192.6kN），平均锚杆长度8.0m满足要求。

根据BS 8081［6］要求，锚杆计算时需计算土体整体破坏及局部破坏稳定性，且外部需采用塑料套锚杆采用C40混凝土的防腐措施。中国标准对抗浮设计的安全系数为1.05，对于BS标准计算锚杆时采用标准值并取安全系数3，中国标准略小于BS标准，英标计算的抗浮锚杆结果较中国标准安全富余更大。

5 水池结构SAP2000三维有限元分析

因本工程埋深较大，地下面积较大，传统的计算方法不适宜，因此在设计过程中采用有限元软件SAP2000 进行空间受力计算［7，8］。其中有限元采用的材料参数及控制参数主要依据英标BS

8007、BS8102［9］和BS8110 选取：最大计算裂缝控制在0.2mm 以内，采用C35 抗渗混凝土［9］，根据BS 5950［10］规定，钢筋采用屈服强度460MPa螺纹钢筋以及屈服强度250MPa圆钢；环境温度差值与水泥水化峰值温度T1取值为T1＝25°～47°，基于BS8007［4］相关规定，季节温差T2＝10℃，混凝土有效线膨胀率采用1×10－5／℃。

典型的部分有限元模型见图7。由于有限元分析考虑空间受力及变形协调，更能真实地反映体系受力的实际情况，故根据空间受力所得应力云图进行结构设计更为经济合理。图7中的二沉池顶板开孔处为天河，二沉池底板位置设置土弹簧模拟土层状况，同时设置仅受拉力的锚杆，土弹簧根据BS8004取值为50000kN／m3。建模过程中的底板、内外池壁、各类渠道、走道板及顶板均采用shell单元，池体负一层及负二层的梁柱采用frame单元。根据英标BS系列标准，恒荷载系数取值为1.4，活荷载系数取值为1.6［12］，荷载组合时，大致根据国内的水池设计工况设置，主要有：全满水、全空池、一格满水一格空池三种工况。因有限元分析时，二沉池底板下放置抗拔锚杆及设置土弹簧模拟土体的实际作用，空间分析过程中，锚杆对底板有拉力作用，与传统表格计算相比较，可降低底板弯矩值，减少配筋，以X1～X2轴与Y29～Y38轴间计算跨度为9.5m×46m底板为例，采用传统计算方式得出短跨支座弯矩为1084kN·m，SAP2000计算得出为925kN·m，弯矩值小14.6%。