（上海市政工程設計研究院）

　　摘要：本文簡要介紹了國內第一次設計采用卵形池體的消化池的特點，在池體形狀和池壁構造、池體結構內力分析、池體預應力張拉錨固體系設計、預應力束的配置、應力測試及施工等方面作了分析。

　　關鍵詞：卵形消化池  應力分析 預應力

　　1．工程概況

　　國內污水處理廠構筑物中有消化池，一般多采用柱殼錐頂的結構形式，在濟南污水處理廠之前未見采用卵形消化池的工程實踐。卵形池體與以往所建的柱殼錐頂池體比較，無論在工藝上和結構本身都具有明顯的優點。國外卵形消化池技術發展很快，卵形池體在德國、日本都已形成一套獨特的施工方法，設計、施工技術趨于成熟，我國在這方面尚屬空白。鑒于卵形消化池在污泥處理和結構方面所具有技術經濟優越性，故在濟南污水處理廠工程中，設計了容量為10536m³的預應力砼卵形消化池。通過該項工程的實施，為進一步推廣這一新型的結構創造了條件。

　　該消化池池體分為上部薄殼和下部厚殼兩部分。地面以上為薄殼部分，高度為29m，最大內徑為24m，殼體壁厚為變厚度，最大處為700mm，最小處400mm，地面以下深15m，基礎采用直徑為800mm鉆孔灌注樁，池壁水平向及垂直向均采用低松馳高強度鋼絞線施加預應力。水平向采用HM型游動錨張拉錨固體系，豎向采用OVM型張拉錨固體系。該工程1993年11月份完成了閉水試驗和池體應力測試。圖1-1為池體的豎向剖面圖。

 1-1   池體的豎向剖面圖

　　2．池體形狀及池壁構造

　　卵形池體的尺寸，主要由污泥處理所需的有效容積及機械設備的有效攪拌效率決定。本工程所設計的池體是由池頂錐體、中部桶體、池底錐體三部分組合而成。池體中部桶體是確定卵形池體內徑及高度尺寸的主要因素。在滿足污泥處理工藝要求的前提下，降低池體的總高度或增大池體的內徑可降低整個池子的重心，提高池體的整體穩定性。

　　池壁為滿足消化工藝的保溫要求及防止污水對內池壁的腐蝕，內壁作防腐蝕處理，池外地面以上部分則作保溫處理。

　　內壁選用氯磺化聚乙烯膠泥進行防腐處理，頂部及常水位1m以上范圍及砼施工接縫處粘貼無紡玻璃布一層，以滿足池頂氣室部分的氣密性要求。

　　池外壁保溫層構造如圖2-1所示，其中的硬質聚氨酯泡沫塑料保溫層采用現場直接噴涂發泡成型施工工藝。施工方便，無接縫，與基層接合緊密，保溫性能好。

 圖2-1

　　3．池體結構內力分析

　　3.1 計算假定

　　池體尺寸確定后，結構布置時，將池體分為上部薄殼和下部臺階式厚殼兩大部分，厚殼用作樁承臺。計算時按計算要求將殼體離散成殼元與塊元。塊元與殼元的交界處按塊元的位移條件確定。變厚度殼體區段用等厚度殼元來代替，共分為4種厚度，分別為。0.4m，0.425m，0.545m，及0.70m。厚殼在樁支承處按固定支承邊界條件考慮。樁的點支承為方便計算，假定為具有與樁徑等寬度的固定支承環如圖3-1所示。

 圖3-1

　　內力計算采用可解析回轉對稱結構的通用結構分析程序。該程序采用半解析有限元的理論編制。由于程序綜合了解析法和離散計算的優點，使得整個求散效率大大提高，同時也改善了計算精度。

　　整個計算的內力輸出結果采用空間桿件分析通用程序SAP-5進行復核。

　　3.2 池體上的荷載

　　3.2.1永久荷載

　　(1) 結構自重

　　(2) 土壓力

　　(3) 池內液體壓力 取液體容量為10.5kN/m³

　　(4) 預應力

　　3.2.2可變荷載

　　(1) 溫度作用：根據壁厚、保溫層的構造、壁面溫差取7.5℃；季節溫差取10℃。

　　(2) 地震作用：按7°地震設防。

　　3.3 計算結果

　　殼體單元輸出各節點環向力、豎向彎矩等六個薄膜內力。

　　塊體單元輸出各節點六個節點內力分量。

　　3.4 荷載效應組合

　　按承載能力極限狀態組合進行設計。

　　根據GBJ9-87

　　3.4.1　γ₀S≤R

　　3.4.2　S=γ_GC_GG_K+ _γQ Q_1K+γ_Q C_Q2·φ_C1 ·Q_2K

　　S=γ_GN_K+γ_Q N_1K+γ_Q N_2K·φ_C1

　　4．池體預應力張拉錨固體系設計

　　4.1 預應力鋼材選用

　　池體水平向及豎向均選用高強度、低松馳級鋼絞線。產品的質量標準按美國ASTM、A416-87a和英國BS5896-1980相應指標制定。該產品與普通松馳級鋼絞線相比較具有較突出的特點。

　　4.1.1預應力松馳損失值低

　　在80%破壞荷載下1000小時的松馳值為3.5%或4.5%，而普通松馳級為12%；

　　4.1.2屈服強度高，受力后產生的永久變形小。其屈強比≥90%；

　　4.1.3產品在生產過程中經過穩定化處理，貯運、施工均較方便。

　　4.2 張拉錨固體系

　　預應力筋的張拉錨固選用OVM型錨具。OVM錨具是在以往群錨基礎上又改進開發的新一代的錨具系統。OVM錨具適用于錨固不同級別的高強鋼絞線，具有良好的自錨性能，施工操作簡便、錨固性能可靠。HM型錨具是在OVM錨具體系的基礎上為適應曲線預應力筋各分段連續一次張拉的要求而開發的又一類型錨具。經分析比較后確定，水平向預應力束采用HM型錨具；豎向預應力束采用OVM型錨具。

　　HM型錨具最突出的特點就是張拉端和錨固端在一塊錨板上實現，錨板是可以移動的，不直接與池壁接觸，所以又稱為游動錨。其特點是：

　　4.2.1池壁上不需要專門設置豎向肋及特殊的加固加強措施；

　　4.2.2可以大大減少曲線預應力筋的彎道摩阻損失；

　　4.2.3采用適當的分段，各分段同步張拉，可以滿足大直徑池體整圈一次建立預應力的要求。

　　本工程池體水平向預應力束采用三點同步張拉，每區段絞線束所對應的中心角為120°(如圖4-1所示)。

 圖4-1

　　由于彎道摩阻力的作用，鋼絞線束中的預應力值隨距張拉端的距離增大而減少，為使在整個曲面上建立的預應力值大致均衡，故每圈預應力束，均在其下一圈的基礎之上按逆時針轉30°定位。

　　HM型錨具組裝件的組成(包括張拉設備)如圖4-2所示。

 圖4-2

　　根據柳州市建筑機械總廠和長江水利委員會所做的靜載試驗報告，HM型錨具組裝件的效率系數>0.95%；弧形墊塊彎道及錨口總摩阻損失小于12%。在實際施工時可采用超張拉來部分補償這部分附加的預應力損失。

　　4.3 池壁水平向張拉孔的構造及波紋管的選擇

　　張拉孔按以下要求設計。

　　4.3.1工作錨可在張拉孔中自由移動；

　　4.3.2張拉孔封堵時確保工作錨的砼保護層厚度。

　　根據池體的內力計算值，采用二種鋼絞線束6束7φ5及4束7φ5。

　　波紋管選用黑鐵皮現場卷制，管徑按在正常施工條件下孔道與預應力筋的面積比為3.5～4選用。實際選用管徑為6束φ65，4束φ50。

　　5．預應力束的配置

　　5.1 預應力損失值計算

　　5.1.1張拉端錨具變形和鋼筋收縮σ₁₁

　　這部分預應力損失值產生在張拉端附近，在鋼絞線應力最大處。曲線預應力筋孔道摩阻在全部預應力損失值中占很大比較，本工程中張拉端至計算截面的切線夾角為60°，這部分損失值產生后，由于負摩阻的影響，對計算截面處的鋼絞線內應力值不起作用，相反這部分損失值還可以調整鋼絞線內應力的不均勻性。在某些工程設計中還采用適當的內縮值來調整預應力的應力均勻性。所以，預應力總損失值中不計入σ₁₁。

　　5.1.2預應力束的孔道摩阻損失σ₁₂

　　由于HM型錨具的施工工藝特點，這部分損失值中應加入錨口處弧形墊塊摩阻損失。根據試驗，這部分的損失與施工時的熟練程度、弧形墊塊的塊數和墊塊上是否涂有潤滑劑有關，綜合各方面因素，采用12%σ_con。

　　另一部分孔道摩阻按規范公式計算。

　　5.1.3預應力鋼絞線束應力松馳σ₁₄

　　規范公式是按普通松馳級計算的。

　　σ₁₄=φ(0.36×σ_con/f_hk－0.18)σ_con

　　σ－調整系數0.9，取σ_con=0.8f_pt_k，則

　　σ₁₄=0.9×(0.36×0.9－0.18)σ_con=0.0972σ_con

　　本工程選用的低松馳級綱絞線在0.8f_pt_k的張拉應力下1000h的松馳值小于4.5%，與規范公式計算比較此值是其的0.5倍。實際設計中此值選用0.045σ_con 。

　　5.2 砼收縮和徐變σ₁₅

　　按規范公式計算。池體處于高濕度環境中，計算值可降低50%。

　　預應力總損失值為

　　σ_損=σ₁₂+σ₁₄+σ₁₅=0.429σ_con

　　σ_con－張拉控制應力

　　5.3 預應力筋的張拉控制應力σ_con

　　σ_con取0.8f_pt_k

　　f_pt_k－鋼絞線強度標準值1860N/mm²

　　σ_con取值大于規范規定10%，因為

　　(1) 低松馳級鋼絞線屈服強度高，屈服比大于90%；

　　(2) 錨前預應力損失占12%，主要產生在張拉時弧形墊塊彎道處的損失，如減去這部分損失，錨后的最大應力值為0.704f_pt_k，滿足規范的要求；

　　(3) 有利于提高實際預應力值。

　　5.3 水平向鋼絞線束的配置

　　配置原則：由外荷作用產生的環向張拉力全部由預應力筋來承受，并使池壁保持有0.3～0.5N/mm²的剩余壓應力。

　　根據施工工藝要求，池壁上的鋼絞線的最小間距取180；最大間距取900。

　　由于環向力隨著池壁高度的上升而減小，為更合理的利用鋼絞線的強度，在池壁高度一定范圍內采用4束來配置。

　　池壁根部，殼體單元與厚殼單元相交之處，由于厚殼的剛度遠大于殼體的剛度，施加在殼體上的預應力很大一部分都被厚殼所吸收了。因此，只在殼體上施加預應力很難達到要求的應力值。同時，由于厚殼的邊界效應，環向預應力的作用效應轉變成的以豎向彎曲變形為主，通過局部劃細網格計算后可以說明這一點。因此，設計中對位于地面以下部分的厚殼單元，在一定范圍內也配置了預應力束，取得預期的效果。

　　豎向預應力筋的配置以考慮池體的整體構造要求為主。卵形體處于三維空間受力狀態，池壁以承受環向軸拉力為主，豎向應力相對很小。但在殼體與厚殼的交界處，由于邊界效應，具有較大的彎曲變形，這部分變曲變形在空池時，即在施工或檢修階段最為不利。

　　6．應力測試

　　預應力卵形消化池國內在設計和施工方面均屬首次，缺乏這方面的實際經驗。為確保工程的安全可靠，驗證所取設計參數的正確性，工程設計中安排了應力測試的內容。

　　測試分兩個方面。

　　6.1 實測池體在施工階段(預應力張拉階段)及滿載時的實際應力值。

　　從基礎砼澆筑開始就跟蹤埋入應力計，應力計的位置根據理論計算時的應力分布情況而定，分每圈3點、4點、6點布置見圖6所示。整個池體共埋入120個應力計。

 圖6-1

　　從第一道預應力束開始張拉時即開始跟蹤測讀。測讀工作一直延續到充水試驗后一段時間。埋入的應力計長期有效。測讀所采用的儀器為SD-520日本共和靜動態應變儀。

　　6.2 測定曲線預應力束在彎道摩阻力最大之處的實際應力值，以此來比較按規范公式計算的摩阻損失的差異。

　　為了直觀的測出鋼絞線中的應力值，在厚殼預應力束孔道口開了一個窗口，在鋼絞線上接入全封閉式應力傳感器，鋼絞線張拉時可以直接讀出每級拉力下應力傳感器的讀數。

　　安裝時先把要求測讀部位的鋼絞線割斷，斷頭處加套管后用GYJ專用擠壓器擠壓成一端帶套管的接頭，然后與傳感器夾具連接在一起。

　　6.3 HM型錨具弧形墊塊應力損失

　　HM型錨具弧形墊塊彎道摩阻占總控制應力的12%，能否減小這部分損失，為此做了不同墊塊數及在弧形彎道中涂潤滑劑與不涂潤滑劑的幾組試驗。

　　7．施工

　　卵形消化池施工主要技術難點為模板工程和預應力張拉工程。

　　卵形池體是一空間雙曲面體，給模板的架立和定位帶來很大的困難。國外在模板架立技術上已趨成熟，有定型的拼裝式模板，如迪維達克式圓錐形模板，這種模板采用油壓可以沿著要求的曲線爬升，彎曲的角度可以調整。具有一定規模和先進性。

　　本工程由中建八局二公司負責施工，他們組織力量進行技術攻關，精心設計出一套具有中國特色的模板系統。所用材料基本上是以常規的φ48×3.5腳手鋼管為主，配合一些必要異形鋼模板。這套支模體系統經施工實踐證明是切實可行的，三個池子施工形成流水作業之后可以滿足施工進度和質量的要求。目前該項施工技術已完成中建總公司的施工技術鑒定。

　　池體砼設計要求的強度等級為：地面以下厚殼采用C30；地面以上薄殼采用40并摻入PNC微膨脹劑。池體砼在現場拌制后用泵送至澆筑點。

　　預應力張拉是本工程的關鍵工序。預應力束張拉按如下技術要求進行：

　　(1) 每圈預應力束必須達到設計所要求的控制應力值。

　　(2) 不允許有孔道堵塞及漏張。

　　(3) 確保鋼絞線和錨固可靠。

　　(4) 及時進行孔道灌漿。

　　張拉程序按如下原則：

　　(1) 使分批張拉產生的應力損失值最小。

　　(2) 方便施工。

　　為減少砼收縮和徐變產生的預應力損失，設計中要求池體砼全部澆筑完畢后，養護三個月以上才能進行預應力束的張拉。這樣的要求對于地面以下厚殼上預應力束的張拉帶來一些問題。當地的地下水位很高，接近于地表。如果滿足上述要求，施工降水將會持續很長一段時間，基坑長時間不能回填會對上部殼體的施工帶來很大的不便。經權衡之后，改為地面以下厚殼張張拉，基坑回填后，進行上部殼體的施工，待殼體全部施工完畢，經養護達到設計要求后再開始整體一次張拉。這樣做會對殼體部分有效壓力的建立有所減少。因此，通過理論計算后定為下部厚殼以上的殼體施工1.5m高度以后，才允許基礎塊體部分施加預應力以滿足最終應力迭加的要求。

　　殼體部分預應力束的張拉按如下順序。

　　絞線在殼體上每圈的編號為V₁₂，V₁₃，V₁₄，…V₁₁₂

　　張拉順序為

　　V₁₂，V₁₄，V₁₆，…V₁₁₂(雙號圈)

　　V₁₃，V₁₅，V₁₇，…V₁₁₁(單號圈)

　　每圈張拉分三點同步進行，用對講機同步調度。張拉前對千斤頂油壓表進行標定。張拉控制應力值按油壓表讀數及鋼絞線伸長量雙控。加荷順序為

　　(1) 0→0.1σ_con全部放松。調整絞線及弧形墊塊之間間隙。

　　(2) 0→0.1σ_con→0.5σ_con→1.06con－持荷三分鐘→千斤頂回油錨固。

　　為保證曲線預應力筋同時張拉時受力均勻，在整束張拉前對每根單束采取低荷載單根調整。

　　8．卵形消化池的經濟效益

　　通過與常規的非預應力錐頂柱體的消化池比較，在相同的容積及污染處理效果下，可以得出以下的結果：

　　8.1 可節省建設用地25%，相同容積下柱體直徑需28m，卵形體僅需24m；

　　8.2 卵形池體由于采用高強鋼絞線預應力體系，可以充分利用結構材料的強度，從而節約用鋼量12%左右；

　　8.3 卵形池體的設備攪拌效率高，但一次性設備投資有所增加；

　　8.4 在相同容積下，卵形體的表面積最小，因此熱損失也最小，經常使用中能耗可節省25%。

　　8.5 卵形池體的土建施工難度大，施工費用高，但這種狀況當形成定型型、批量建造時可大大的改善，施工費用可望降至與普通圓柱形池大體相同。

　　本工程單個池體的經濟指標如下：

　　砼用量2600m³，相當于每立方有效容積砼用量為0.246m²；

　　鋼筋用量295t，相當于每立方有效容積鋼筋用量28kg。