垃圾焚烧发电厂项目超高性能混凝土槽形板设计

李子俊

（中国轻工业广州工程有限公司，广东广州 511447）

1 工程背景

在垃圾焚烧发电厂项目的主车间中，通常有垃圾贮坑，用于垃圾贮存和发酵。在垃圾贮坑中，常年充斥着潮湿的酸性腐蚀性气体。由于垃圾贮坑需要考虑垃圾储量和吊车运行的要求，其跨度一般较大，从而该部位的屋面跨度一般也较大，约为32～40m。因此，通常屋面主结构会采用大跨度钢结构，如图1所示。

图1 垃圾焚烧发电厂主车间

在传统的钢屋面板设计中，目前多采用压型钢板或钢骨架轻型混凝土板。笔者通过对多个已运营多年的工程项目调查表明，以上两种屋面板，在运营多年之后，均出现了较为明显的腐蚀。由于垃圾坑内充斥着可燃的恶臭有毒气体（如甲烷、氨、硫化氢、甲硫醇、苯乙烯等），更换屋面板将十分困难。在更换屋面板时，有毒臭气泄露不仅可能导致严重的环保问题，更有可能在施工过程中造成中毒伤害或发生火灾、爆炸，酿成事故。因此，找到一种大跨度、可预制性好、自重轻、防腐性能更优良、可长期工作不需更换的屋面板，对于垃圾焚烧发电厂项目而言，具有十分重要的意义。

经过对多种板材的对比，笔者注意到了传统的钢筋混凝土槽形板。对比传统的钢屋面板或钢骨架轻型混凝土板，槽形板没有外露钢构件，材料致密，具有优良的防腐蚀性能。但受钢筋混凝土材料性能制约，传统槽形板自重较大，一般难以实现较大的跨度。此外，由于屋面主结构通常为大跨度钢结构，对重力荷载较敏感，采用传统槽形板，不仅会显著增加钢结构结构高度，而且会显著增加用钢量，非常不经济。因此，笔者在传统预制槽形板的基础上，采用超高性能混凝土（以下简称UHPC）材料，有效减少板截面尺寸，从而减少屋面板自重，以取得较好的经济效益。

2 UHPC材料及槽形板简介

超高性能混凝土是一种力学性能超高、耐久性能优异的新型水泥基复合材料。同时，由于其内部结构改善和胶凝材料组成的优化，其收缩大大减少。故UHPC较之常规混凝土，抗渗性能大幅提高，耐久性也随之大幅提高。

UHPC槽形板借鉴了传统的钢筋混凝土槽形板的概念，利用UHPC材料超高的强度和优异的工程性能，通过计算分析，从而在大跨度的基础上实现较小的构件截面，以减轻结构自重。

UHPC槽形板由面板、横肋和纵肋组成。考虑施工及吊运方便，单块板板宽取值宜不大于1200mm。

3 UHPC槽形板的经典理论计算

3.1 计算模型

本文根据垃圾焚烧发电厂中较为常见的柱网尺寸及跨度选取板型作为算例。槽形板板宽1000mm，板跨度9m。面板厚度30mm，横肋截面尺寸为50mm×80mm，间距1m。纵肋截面尺寸为50mm×150mm。混凝土强度等级选用RPC120，立方体抗压强度不小于120MPa。为适应高强混凝土材料的要求，钢筋采用热轧带肋钢筋HRB400钢筋和螺旋肋消除应力钢丝。

3.2 材料强度取值

根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[2]及参考《活性粉末混凝土结构技术规程》（DBJ 43/T 325—2017），确定材料强度设计值如下：

RPC120混凝土立方体抗压强度为120MPa，，混凝土轴心抗压强度设计值为：fck=84MPa，设计值为fc=58MPa。设计考虑钢纤维体积掺量2%，RPC120混凝土轴心抗拉强度标准值ftk=5MPa，混凝土轴心抗拉强度ft=4.6MPa。

HRB400钢筋抗拉强度设计值为360MPa。螺旋肋消除应力钢丝，极限强度标准值为1860MPa，抗拉强度设计值为1320MPa。

考虑垃圾坑中腐蚀性较强，如果采用预应力混凝土，一旦结构开裂，预应力钢筋腐蚀，将造成很大的预应力损失，进而给对结构安全带来隐患，故本板材不考虑施加预应力。

3.3 荷载分项系数及荷载取值

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）[1]，屋面板可变荷载取值0.5kN/m2。经计算结构面以上建筑做法荷载，结构面上的永久荷载取值0.5kN/m2。混凝土自重为25kN/m3。

根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068—2018）[3]，基本组合的荷载分项系数，对永久荷载取1.3，对可变荷载取1.5。

3.4 计算原理

（1）槽形板之面板、次肋、主肋根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[2]之受弯构件理论计算。面板、主肋、次肋之荷载传递、弯矩及变形通过《建筑结构静力计算手册》[5]采用查表法计算。

（2）受弯构件承载力计算采用的公式如下：

混凝土受压区高度按下式确定：

参考《活性粉末混凝土结构技术规程》（DBJ 43/T 325—2017），对于HRB400钢筋，ζb=0.53；对于1860MPa的螺旋肋消除应力钢丝，ζb=0.250。计算取α1=0.93。

（3）受剪承载力计算公式如下：

受剪承载力偏于安全地计算不考虑混凝土中钢纤维对斜截面受剪的有利作用，采用经典混凝土结构理论计算。

受剪截面条件：V≤0.25βcfcbh0

斜截面受剪承载力计算：V≤0.7βhftbh0

（4）挠度计算公式如下：

挠度计算偏于安全地不考虑混凝土中掺入钢纤维对刚度的影响，采用经典混凝土结构理论计算构件刚度。

3.5 计算结果

（1）面板、主肋、次肋内力详见表1。

表1 面板、主肋、次肋内力计算

（2）配筋计算详见表2。

表2 配筋计算

（3）主肋斜截面受剪承载力计算。

受剪截面验算：

受剪截面满足要求。

斜截面受剪承载力计算：

斜截面受剪承载力，不需额外配置抗剪钢筋。

（4）挠度计算：

经核算，该槽形板挠度：f=39.31mm≤l0/200=9000/200=45mm。

4 结语

UHPC槽形板在长沙市污水处理厂污泥与生活垃圾清洁焚烧协同处置二期工程中已得到成功应用。通过本文分析，可以得出如下结论：①UHPC槽形板具有大跨度、自重轻、材料用量少的特点，并具有较高的耐久性。在长期处于强腐蚀环境的垃圾贮坑中，采用此种屋面板，可达到长期使用不需更换的目标，在安全、经济和耐久方面具有较高的效益；②UHPC槽形板可批量预制并标准化生产，产品质量稳定可靠，安装具有较高的工业化水平。同时，使用此板材可提高建筑装配率，响应国家建筑工业化的号召；③UHPC混凝土基材与目前主流的防腐蚀涂料具有良好的结合性。在UHPC材料的基础上，为进一步提高其防腐蚀性能，可在其表面涂刷防腐涂料，如环氧玻璃鳞片等；④UHPC槽形板可采用数值分析方法计算，亦可采用经典力学和钢筋混凝土理论进行计算。