基于拟静力法的半地下装配式水池抗震设计分析

2021-05-27上海市城市建设设计研究总院集团有限公司上海200125

安徽建筑 2021年5期

王伟（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125）

1 引言

随着我国国民经济的不断发展，环境污染问题日益加重，人们的环保意识也在不断提高；《水污染防治行动计划》《生活饮用水卫生标准》等指导文件和规范的出台，推动生态环保制度不断完善。污水处理厂作为污水处理的重要场所，引起了人们的广泛关注。污水池是污水处理厂的重要组成部分，其结构质量优劣直接影响污水厂的后期运营和维修。

现有地下结构抗震分析方法主要有动力时程分析法和拟静力法。动力时程分析的结果与所选取的地震动输入有关，它采用逐步积分的方法对动力方程进行直接积分，分析精度较高，但存在模型边界处理复杂、计算工作量大、结果处理繁琐等问题，而且大型复杂结构的动力分析对计算机要求更高，耗时耗力，对工程技术人员素质要求较高；拟静力法是通过反应谱理论将地震对建筑物的作用以等效地震荷载替代，验算结构的抗震承载力和变形。此类方法合理地将动力学问题简化为静力学问题，同时可以较好地反映结构的动力响应，具有结果直观、效率高等优点，便于设计人员掌握，众多规范均推荐此类方法，应用十分广泛。

鉴于此，本文以上海某污水厂的生物池为例，选用《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》推荐的拟静力法对市政污水处理厂的生物池结构抗震设计分析及抗震措施进行探讨，为今后污水厂水池构筑物的抗震设计提供依据。

2 工程概况

2.1 生物池构筑物概况

AAO生物反应池平面尺寸约为209.5m×167.6m，主体结构为现浇矩形钢筋混凝土结构，局部隔墙采用预制构件，局部顶板采用玻璃钢盖罩或预制大跨度预应力空心板。

池体主要构件：好氧池侧墙、好氧池隔墙、缺氧池侧墙、缺氧池隔墙。考虑到上述构件单面墙体的尺寸较大，受到的动水压力、动土压力较大，地震时最容易破坏，因此AAO生物反应池的抗震分析主要针对上述四种池壁。好氧池与缺氧池的侧墙壁板总高11.20m，其中埋置于地下的部分为5.00m，故应按地面式结构验算；隔墙不与土直接接触，故按照地面式结构验算。

结构构件尺寸：好氧池侧墙厚900mm、好氧池隔墙厚500mm、缺氧池侧墙厚900mm、缺氧池隔墙厚500mm。

2.2 等效地震荷载

根据《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》，盛水构筑物在水平地震作用下主要考虑如下等效地震荷载：

①由于结构物自身及其中添加物重量引起的惯性力；

②地震时动土压力；

③地震时动水压力。

2.2.1 自重惯性力标准值计算

盛水构筑物在水平地震荷载作用下的自重惯性力标准值，应按下列规定计算：

地面式水池壁板的自重惯性力标准值：

地面式水池顶盖的自重惯性力标准值：

式中：F为池壁沿高度的自重惯性力标准值(kN/m)；为地震影响系数的调整系数，可取1.5；α为相应于水池结构基振型的地震影响系数，一般可取α=α，取 0.23；γ为相应于水池结构基振型的振型参与系数,取1.10；g为池壁沿高度的单位面积重度(kN/m)；W为水池顶盖的自重（kN）；F为水池顶盖的自重惯性力标准值（kN）；H为池壁高度（m）；Z为计算截面距池壁底端的高度（m）；

2.2.2 动水压力标准值计算

矩形水池在水平地震荷载作用下的动水压力标准值，应按下列公式计算：

式中：F为矩形水池的动水压力标准值 (kN/m)；γ为池内水的重力密度(kN/m)；H为池内水深(m)；f为矩形水池动水压力系数；F为矩形水池动水压力沿地震方向的合力 (kN)；L为矩形水池垂直地震作用方向的边长(m)。

2.2.3 动土压力标准值计算

水池池壁在水平地震荷载作用下的动土压力标准值，应按下列公式计算：

式中：F为地震时作用于水池池壁任一高度上的最大土压力增量(kN/m)；F为相应计算高度处的主动土压力标准值 (kN/m)；φ为池壁外侧土的内摩擦角，取 30。

2.3 抗震设计参数

本工程拟建场地的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，地基土属软弱场地土类型，场地类别为Ⅳ类，设计特征周期取0.90s。根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）第5.1.4条，本工程主要构筑物及管道均为重点设防类，抗震设防烈度按7度考虑，抗震措施按8度执行，构筑物抗震等级均取为二级。

3 计算结果

3.1 地震荷载计算

根据上述规范要求，通过式（1）～式（5）计算各构件的等效地震荷载，计算结果见表1。

AAO生物反应池池壁等效地震荷载表1

3.2 抗震计算结果

根据表1中的等效地震荷载计算结构地震工况的附加弯矩，同时考虑结构地震作用效应和其他作用效应的组合，其中：静力作用（即正常使用工况下的水土压力）组合系数取1.2；地震作用组合系数取1.3；同时，对结构构件截面强度进行计算时，考虑承载力抗震调整系数0.85，最终获得地震组合工况的弯矩值。

根据地震组合工况的弯矩按强度控制进行配筋，计算各构件满足抗震安全性的强度计算配筋，详见表2。由表2中数据可以看出，各构件实际配筋面积均大于地震工况的强度计算配筋面积，因此生物池结构可以满足抗震安全性要求；同时，隔墙的地震组合工况弯矩明显大于其静力作用工况弯矩，这是由于隔墙在静力工况墙体两侧水压力基本平衡，内力较小；地震组合下，隔墙单侧作用动水压力，底部将产生巨大的地震附加弯矩。因此，结构设计中应重点关注隔墙的抗震安全性。

AAO生物反应池结构抗震强度分析结果表2

3.3 池体预制隔墙下部节点分析

缺氧池局部隔墙采用预制构件，现通过三维有限元弹塑性分析，验证预制隔墙下部节点的连接强度。

三维有限元模型由底板和隔墙两部分组成，其中底板厚1.0m，板内设置双排C25@150钢筋；隔墙厚0.5m，计算宽度取预制隔墙幅宽3m，高度根据反弯点法取距墙底2/3墙高处，墙内设置双排C25@150竖向钢筋，并根据设计图纸布置箍筋，计算模型如图1所示。

图1 下部节点三维精细化模型

约束试件底板下表面的三个自由度及隔墙宽度方向的自由度。模型加载共分为两步，先在模型顶端施加顶板及隔墙自重产生的轴向力，并保持恒定，然后在模型顶端施加水平位移荷载，直至构件破坏。

3.3.1 损伤分布及发展规律

图2绘制了墙顶水平位移为8.85mm，底部弯矩218.4kN·m（混凝土开始拉裂），和顶部位移163mm，底部弯矩622.71kN·m（极限承载能力）时结构混凝土拉伸损伤云图。由图2可知，混凝土结构首先在灌浆套筒上部连接部位产生拉伸损伤，然后混凝土拉伸破坏从灌浆套筒上端部分逐渐向上发展，最终整个墙的受拉面混凝土全部拉裂。

图2 下部节点拉伸损伤云图

3.3.2 钢筋应力

输出隔墙破坏时的墙内钢筋应力云图，如图3所示。灌浆套筒连接钢筋的上端应力最大。选取该点绘制墙底弯矩-钢筋应力曲线，如图4所示。钢筋的应力发展呈现3个阶段，第一个阶段为混凝土弹性阶段，受拉区的混凝土还未产生受拉裂纹；第二个阶段为混凝土受拉破坏阶段，在该阶段，混凝土受拉损伤在从墙底部不断向上发展，钢筋应力曲线基本为直线，但在该阶段，墙面混凝土已经产生了不可恢复的拉伸破坏；第三个阶段钢筋进入塑性，结构发生较大位移，产生破坏。

图3 下部节点区隔墙纵筋应力云图（极限状态）

图4 墙底弯矩-钢筋应力曲线

3.3.3 力-位移曲线

将柱顶施加的水平作用力转化为墙底等效弯矩，绘制墙底弯矩-位移曲线，如图5所示。位移随着作用力的增长主要出现了3个阶段的发展过程。在墙顶位移小于12mm时，灌浆套筒上方混凝土未拉裂，此时结构仍处于弹性阶段；在墙顶位移介于12mm和152mm之间时，受拉区混凝土拉裂，钢筋应力增长但未屈服；在墙顶位移大于152mm时，钢筋屈服，结构产生较大的水平位移，基本失去水平承载能力，产生不可恢复的破坏变形。

图5 墙底弯矩-位移曲线

3.3.4 下部节点抗震安全性评价

根据结构抗震计算分析结果，地震作用下墙底最大弯矩为472.8。由图5可知，此时结构仍处于弹塑性阶段。并输出此时混凝土拉伸损伤和钢筋应力云图，如图6所示，可以发现混凝土拉伸损伤并未发展至全截面且钢筋仍未屈服。综上所述，预制隔墙下部节点在地震作用下尚未达到承载力极限状态，目前设计方案满足抗震安全性要求。