后张法有粘结预应力技术在大型矩形水池中的应用

张琪

中节能国祯环保科技股份有限公司 合肥 230088

引言

近年来，预应力混凝土设计方法日趋完善，预应力技术和工艺水平迅速提高，特别是高强钢丝和钢绞线的研制开发，以及锚夹具和张拉设备的系列化配套定型生产，为给排水构筑物采用预应力技术提供了广阔的空间。目前在给排水构筑物中广泛采用的为后张法预应力混凝土工艺，建立预应力的工艺方法主要有三种，分别是有粘结预应力混凝土工艺、无粘结预应力混凝土工艺、机械绕丝预应力混凝土工艺。其中有粘结预应力混凝土工艺在施工时，先在模板中预留金属波纹管，待混凝土达到设计强度后，将钢丝束或钢绞线穿入导管中，对其进行张拉和锚固建立预应力，最后对预留孔道进行灌浆和封堵。这种方法最大的优点是建立的预应力较为安全可靠［1］。预应力技术在圆形水池中已有广泛使用，但预应力技术在矩形水池设计中使用较少。尤其对于超长、超高的全地上式钢筋混凝土水池，如何解决伸缩缝设置、水池温度应力、优化结构传力途径、合理选择结构方案，值得探索和探究。

1 工程概况

江苏省某化学工业园污水处理厂内建设一期扩建项目，规模为12500m3／d。其处理构筑物包括新建事故池、高浓度均质池、厌氧反应池、SBR池、集水池、流化床＋曝气池、二沉池、加药间、总排水池等，以及对排水泵房及污泥脱水间的改造等。生化段主体工艺单元厌氧反应池为全地上式大型水池，长度32.9m，宽度12.3m，高度12.45m，属于超高、超长构筑物。建设场地土属软弱土，场地类别为Ⅲ类，特征周期值0.45s，地质勘察报告建议以粉质黏土岩作为持力层。抗震设防烈度7 度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.10g。抗震设防分类为标准设防类。

2 大型矩形水池技术问题

2.1 水池深度对结构的影响及解决措施

常规矩形水池，高度在7m 以内，可以设计为等截面；高度为7m ～10m，通常按照变截面进行设计，也可以通过设置隔墙或者顶板改变壁板的受力模式，按照双向板进行设计，从而基本能将壁厚控制在1m 左右。本文厌氧反应池高度12m以上，正常工作状态基本满水位运行，侧向水压力较大，池壁根部和跨中弯矩很大，如采用常规的钢筋混凝土水池设计方案，壁厚非常大，且配筋量巨大，抗裂要求难以满足，方案缺乏经济合理性。结构方案按照板壳设计不合理，因此考虑改变池壁传力途径，将不利的池壁承压转变为扶壁柱与内框架及池壁为边界条件的双向组合传力体系。在不影响工艺运行的前提下，外池壁设置扶壁柱，同时在厌氧反应池内部设置框架梁、框架柱，形成池内框架体系，将侧向水压力通过池壁传递给框架体系，从而有效减小壁厚及板配筋。

2.2 水池长度对结构的影响及解决措施

《混凝土结构设计规范》［2］及《给水排水工程构筑物结构设计规范》［3］对伸缩缝间距均有明确要求：露天现浇式钢筋混凝土结构，伸缩缝间距不宜大于20m。本文厌氧反应池为全地上露天水池，长度32.9m，规范要求宜设置适应温度变化的伸缩缝。但设置伸缩缝存在诸多弊端：1）整体性较差，对结构抗震不利，且设置伸缩缝后荷载不对称极易引起地基不均匀沉降，导致伸缩缝出现较大变形甚至拉裂从而引起渗漏，加剧地基的破坏；2）伸缩缝为橡胶止水带，容易老化且需停产修复，修复周期长影响项目运营。因此取消用橡胶止水带形式设置伸缩缝的传统做法，在厌氧反应池长度方向设置两道膨胀加强带。提高了厌氧池反应池的整体刚度和水密性，同时避免了基底荷载的不均匀分布，便于基础布置。

2.3 水池内外温差对结构的影响

地上钢筋混凝土矩形水池，存在水池内外温度差异即壁面温差（湿差）作用，抗水压与抗温差（湿差）效应往往是相矛盾的，池壁越厚对抗水压和控制混凝土裂缝越有利，但通常壁板厚度越大引起的温度应力越大，导致配筋量很大，难以满足抗裂要求。因此综合考虑抗水压和温度应力问题，选择经济合理的受力体系，采用扶壁柱＋内框架＋池壁的结构体系，尽可能减小壁厚。

3 方案选择及结构分析

采用通用有限元软件Midas 建模分析。对整体模型进行简化，基桩为端承摩擦桩，用土弹簧模拟桩间土对水池底板的竖向支承，用节点弹簧模拟摩擦桩对水池底板的竖向支承；池壁及底板采用厚板单元（考虑平面外剪切刚度），梁柱采用杆系单元。

该工程的最大难点是解决水平框架梁在较大轴向拉力作用下的抗裂度问题。满水工况下，水平框架梁为小偏心受拉构件（最大水平拉力设计值超过1000kN），依据《给水排水工程构筑物结构设计规范》［3］，对混凝土贮水或水质净化处理等构筑物，当在荷载组合作用下，构件截面处于轴心受拉或者小偏心受拉状态时，应按不出现裂缝控制，即小偏心受拉构件应满足抗裂度要求。配置普通钢筋无法满足抗裂度要求，因此考虑框架梁采用预应力结构来解决抗裂度问题［4］。

3.1 基础方案

依据地勘报告，以第1F 土层（粉质黏土岩）作为持力层，经过方案比选，采用预应力预制管桩。根据计算模型的反力分布情况，采用不均匀布桩，桩型为PHC-AB400（90）-30b，桩长约30m左右，单桩竖向承载力特征值650kN，桩数为157 根。

3.2 上部结构方案

池壁间隔设置扶壁柱，水池内部设置内框架。结构平面布置如图1 所示。

图1 预应力混凝土梁平面布置（单位： mm）Fig.1 The plan layout of prestressed concrete beam（unit：mm）

厌氧反应池底板厚度600mm，底板与池壁连接处做加腋处理。反应池两个方向池壁厚度均为350mm。钢筋混凝土强度等级为C30（预应力梁混凝土强度等级为C40），抗渗等级S8。

3.3 荷载及截面验算的控制工况

主要受力为侧向和竖向水压力、温度荷载、预应力荷载。

1.温度荷载

壁面温差按下式计算（冬季正常运营状态时介质温度12℃，依据气象资料当地最冷月平均气温为0℃）：

温差和湿差两项作用不需同时考虑，对夏季应考虑湿差作用，对冬季应考虑温差作用。前者低温收缩与湿涨抵消，后者由于低温面水分子浓度加大导致水分迁移，致使低温面湿度增加。池壁湿差作用，其效果与温差相似，可将湿差折算成“当量温差”计算，“当量温差”可按照10℃作为计算内力标准值时采用，因此设计取两者之大值计算内力，按照10℃计算壁面温差，并均属低温一侧受拉。考虑混凝土开裂后的刚度降低，因此考虑折减系数0.65，模型温度荷载按照6.5℃输入。

2.侧向水压力

内侧按照正常液位计算，荷载按照三角形荷载输入，三角形荷载底边为120kN／m2。

荷载组合如下：

（1）冬季最冷时正常操作状态下荷载组合

自重＋水压＋池壁内外温差＋预应力荷载

（2）夏季正常操作状态下荷载组合

自重＋水压＋池壁内外湿差＋预应力荷载

（3）空池状态荷载组合

自重＋预应力荷载

4 预应力设计

厌氧反应池选用部分预应力混凝土结构，对轴向拉力较大的钢筋混凝土梁采用有粘结预应力混凝土工艺，对框架梁施加预应力以抵抗轴向拉力并对混凝土梁截面形成压应力；在梁内配置一定数量的非预应力钢筋用于抗弯和抗剪，同时对混凝土收缩徐变有一定的限制作用，并保证结构的延性。根据模型计算分析结果，配置预应力钢筋的数量。预应力筋采用1860 级低松弛钢绞线，直径D＝15.2mm，抗拉强度ftpk＝1860MPa，张拉控制应力为0.75ftpk。

4.1 预应力钢绞线估算配置

厌氧反应池标高8.600m 处YKL1 梁最大轴向拉力设计值580kN，配2 ×2φS15.2 有粘结预应力钢绞线，直线布筋两端张拉，有3 根梁；YKL2 梁最大轴向拉力设计值430kN，配1 ×4φS15.2 有粘结预应力钢绞线，直线布筋一端张拉，有10 根梁。标高4.200m处YKL3 梁最大轴向拉力设计值1150kN，配2 ×4φS15.2 有粘结预应力钢绞线，直线布筋两端张拉，有3 根梁；YKL4 梁最大轴向拉力设计值1070kN，配1×7φS15.2有粘结预应力钢绞线，直线布筋一端张拉，有10 根梁。预应力钢绞线固定端和张拉端节点构造如图2 所示。

图2 预应力钢绞线固定端和张拉端详图（单位： mm）Fig.2 Detail of fixed end and tension end of prestressed strand（unit：mm）

4.2 预应力钢筋损失计算

依据文献［5］，选取YKL3（13）计算，配置2 ×4φS15.2 有粘结预应力钢绞线，非预应力钢筋为梁上下各5φ20 通长纵筋，梁中部配置6φ18通长腰筋。预应力梁采用C40 混凝土，混凝土弹性模量Ec＝3.25 ×104kN／m2，钢绞线弹性模量Ep＝1.95 ×105N／m2，HRB335 级钢筋弹性模量Es＝2.0 ×105kN／m2。普通钢筋与混凝土弹性模量比值αE2＝Es2／Ec＝6.15，钢绞线与混凝土弹性模量比值αE1＝Es1／Ec＝6.00。

预应力钢筋损失计算过程如下（公式中物理量的含义详见《混凝土结构设计规范》［2］）：

（1）确定净截面面积

（2）确定张拉控制力

（3）锚具变形及钢筋内缩损失σl1

夹片式锚具采用钢绞线内缩值α ＝6mm，构件长l＝17m。

（4）孔道摩擦损失σl2

其中预埋波纹管成孔k＝0.0015，直线配筋θ ＝0。

（5）第一批预应力损失σl1

（6）预应力钢筋松弛损失σl4σcon≤0.7fptk

（7）混凝土收缩徐变损失σl5

（8）第二批预应力损失σlⅡ

（9）总预应力损失σl

最后进行偏心受拉抗裂计算：预应力梁按照二级裂缝控制，即荷载效应标准组合进行计算时，梁关键截面受拉边缘钢筋混凝土产生的拉应力不超过

4.3 施工张拉顺序

混凝土强度达到100%后方可张拉预应力筋，其中张拉端锚具采用夹片锚具，有粘结预应力孔道采用金属波纹管。先张拉8.6m 层预应力筋的50%，再张拉4.2m 层预应力筋的100%，最后补拉8.6m层剩余的50%。

5 结语

对超高、超长混凝土矩形水池不宜按照常规的板壳受力进行设计，方案阶段应选择合理的结构受力体系。预应力技术的应用，既满足了混凝土框架梁的抗裂要求，又解决了超长混凝土矩形水池的伸缩缝设置问题。本文厌氧反应池经多年满水运行，未发现任何质量问题，是矩形水池采用合理受力体系和后张法有粘结预应力技术相结合的一次成功的案例，对超长超高的矩形水池设计具有一定的现实意义。