談垃圾焚燒發(fā)電廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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摘要：水池在垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目中應(yīng)用廣泛，這類構(gòu)筑物常埋置于地面以下，儲(chǔ)存介質(zhì)成分復(fù)雜，要求其不僅要具備較強(qiáng)的承載力，還要有良好的抗?jié)B性、抗裂性和耐久性，并在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上采取措施進(jìn)行加強(qiáng)。文中以事故雨水池為例進(jìn)行分析，采用PKPM水池有限元計(jì)算模塊進(jìn)行分析，研究水池的受力特征，為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供借鑒參考。
關(guān)鍵詞：垃圾焚燒發(fā)電；水池結(jié)構(gòu)；有限元
引言
水池是垃圾焚燒項(xiàng)目中較常見(jiàn)的構(gòu)筑物，水池的容積、外形尺寸、存儲(chǔ)液體等通常由工藝專業(yè)條件確定。水池結(jié)構(gòu)按照平面形狀可分為單格水池、多格水池、圓形水池、矩形水池；按照使用條件可分為有蓋水池和無(wú)蓋水池；按照結(jié)構(gòu)形式可分為：等壁厚水池、變壁厚水池、加扶壁柱水池；按照安放位置可分為全地下水池、半地下水池和地上水池；按照施工工藝分為現(xiàn)澆混凝土水池、裝配整體式水池、預(yù)制拼裝式水池?，F(xiàn)階段，設(shè)計(jì)院進(jìn)行水池設(shè)計(jì)時(shí)，仍以《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）［1］為主，將水池構(gòu)件分解為二維彈性板件，假定為單向板或者雙向板，采用查表或者理正等輔助計(jì)算軟件進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。雖然此方法可解決大部分工程問(wèn)題，但這種將頂板、壁板、底板等作為獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，無(wú)法考慮各板塊的整體相互作用，不能準(zhǔn)確反映水池結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)鋼筋混凝土全地下單格水池結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，采用PKPM水池設(shè)計(jì)模塊QY-POOLS計(jì)算，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，供設(shè)計(jì)人員參考借鑒。
1工程概況
本文以南充南部縣生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目中的事故雨水池為研究對(duì)象。該水池總長(zhǎng)度21.1m，寬度9.8m，室外地坪標(biāo)高為355.0m，水池頂板頂標(biāo)高為353.0m，即池頂覆土2m厚，水池底板底標(biāo)高為348.0m，屬于全地下水池，設(shè)計(jì)水深4m，抗浮設(shè)防水位取室外地坪下1m。底板厚度取500mm，側(cè)壁厚度取400mm，頂板厚度取250mm，池內(nèi)立柱截面取450mm×450mm，頂板框架梁分別取300mm×500mm、350mm×750mm，結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用C40防滲混凝土澆筑，抗?jié)B等級(jí)P6，控制裂縫限值為0.2mm。根據(jù)勘察報(bào)告，基礎(chǔ)持力層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，地基承載力特征值為300kPa。水池平面布置如圖1所示。
2水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要采用合理有效的計(jì)算假定，對(duì)不同工況下的荷載組合進(jìn)行分析，使水池各板塊既要滿足正常使用狀態(tài)下的裂縫、撓度等要求，又要滿足承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度等要求。水池結(jié)構(gòu)計(jì)算分析主要包括水池各構(gòu)件的內(nèi)力、配筋、裂縫計(jì)算、地基承載力計(jì)算以及水池抗浮驗(yàn)算等方面。
2.1水池荷載
2.1.1頂板荷載頂板荷載包括頂板恒荷載及活荷載，其中頂板恒荷載包括覆土荷載、建筑防水做法重量以及頂板自重；由于該水池埋置于廠區(qū)綠地之下，活荷載不需要考慮汽車荷載，計(jì)算時(shí)活荷載按地面堆積荷載10kN/m2取值。
2.1.2壁板荷載壁板上作用的荷載主要包括池壁自重、池內(nèi)側(cè)的流體壓力、池外側(cè)的地下水壓力、池外土體的主動(dòng)土壓力以及溫、濕度作用。水池荷載主要體現(xiàn)在水壓力和土壓力，設(shè)計(jì)時(shí)考慮最不利情況，池內(nèi)水深按照滿水情況進(jìn)行計(jì)算。由于本項(xiàng)目事故雨水池為全地下水池，可不考慮溫度、濕度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。
2.1.3底板荷載水池底板上作用的荷主要有池內(nèi)水的自重，水池頂板和底板的重力荷載，覆土荷載以及頂板活荷載。地基土在上部結(jié)構(gòu)荷載的作用下會(huì)發(fā)生變形，同時(shí)給底板提供一個(gè)反作用力，地基反力主要由頂板活荷載、頂板覆土荷載、頂板自重、壁板自重以及池內(nèi)立柱自重引起。
2.2荷載組合
水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要有以下三種荷載工況：（1）池內(nèi)有水、池外無(wú)土（結(jié)構(gòu)在做閉水試驗(yàn)時(shí)的工況）；（2）池內(nèi)無(wú)水、池外有土（結(jié)構(gòu)建成，試水期結(jié)束，土體回填完成時(shí)的工況）；（3）池內(nèi)滿水、池外有土（水池在正常使用時(shí)，滿水的工況）。一般情況下，前兩種工況下的荷載組合會(huì)引起最大內(nèi)力，可只對(duì)前兩種工況進(jìn)行驗(yàn)算，取最不利荷載組合用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于多格水池，QY-POOLS可以自動(dòng)考慮各池體盛水荷載的不利布置。
2.3抗浮驗(yàn)算
當(dāng)?shù)叵滤卦诔惺艿叵滤×r(shí)，應(yīng)進(jìn)行水池結(jié)構(gòu)的整體抗浮計(jì)算，滿足抗浮安全系數(shù)不小于1.05，保證水池結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體上浮。同時(shí)，對(duì)于有中間立柱作為支承的結(jié)構(gòu)時(shí)，還需驗(yàn)算支承區(qū)域內(nèi)的局部抗浮，防止底板在水浮力作用下向上發(fā)生變形，產(chǎn)生裂縫。
3模型分析
3.1建立有限元模型
PKPM水池計(jì)算模塊采用有限元方法對(duì)水池進(jìn)行計(jì)算分析，可自動(dòng)對(duì)水池進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及荷載組合。由于混凝土材料的特殊性，長(zhǎng)期受荷狀態(tài)下會(huì)有軟化和應(yīng)變集中的現(xiàn)象，如果單元網(wǎng)格劃分過(guò)細(xì)，可能造成計(jì)算結(jié)果不收斂,本工程將單元格尺寸劃分為0.5m×0.5m。在計(jì)算時(shí)水池主體構(gòu)件如頂板、壁板和底板均采用板單元模擬，梁、柱以及扶壁柱等采用梁?jiǎn)卧M。根據(jù)規(guī)程［2］將池壁底部作為固定約束，但按照固接無(wú)法體現(xiàn)實(shí)際受力特征，池壁與頂板連接假定為完全簡(jiǎn)支，但實(shí)際受力時(shí)，側(cè)壁與頂板并不是絕對(duì)的簡(jiǎn)支支撐，頂板四周是具備抗彎剛度的，有限元軟件計(jì)算時(shí)，可以考慮側(cè)壁頂板的剛度相對(duì)大小。因此，本軟件在考慮相連壁板之間、壁板與頂板之間、壁板與底板之間連接時(shí)均采用彈性固定模型?；A(chǔ)計(jì)算采用溫克爾地基模型，底板下假定為彈簧支座，本工程取20000kN/m3。
3.2模型分析
（1）側(cè)壁內(nèi)力分析：長(zhǎng)向池壁水平彎矩和豎向彎矩云圖如圖2、圖3所示。短向側(cè)壁水平彎矩和豎向彎矩云圖如圖4、圖5所示，水平彎矩的最大值出現(xiàn)在角隅處，角隅負(fù)彎矩達(dá)到47kN•m，且跨中部位彎矩較小，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取構(gòu)造措施對(duì)側(cè)壁連接處進(jìn)行加強(qiáng)。長(zhǎng)向側(cè)壁豎向彎矩最大值為43kN•m，短向側(cè)壁豎向彎矩最大值為37kN•m，均出現(xiàn)在板塊中下部，且側(cè)壁頂部彎矩并不為0，也說(shuō)明側(cè)壁與頂板并非簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)支關(guān)系，反映了實(shí)際的受力狀態(tài)。（2）頂板內(nèi)力分析頂板彎矩云圖如圖6所示。頂板彎矩呈現(xiàn)兩頭及中間有立柱位置彎矩大的趨勢(shì)，在左右兩側(cè)負(fù)彎矩達(dá)到最大值12kN•m，靠近端部的兩根立柱附近正彎矩最大為22kN•m，主要是因?yàn)橛辛⒅恢么嬖趹?yīng)力集中，內(nèi)力發(fā)生突變。（3）底板內(nèi)力分析底板彎矩云圖如圖7所示。水池底板彎矩呈現(xiàn)兩頭大中間小的特點(diǎn)，在設(shè)立柱位置彎矩達(dá)到最大值，說(shuō)明設(shè)置了立柱之后，改變了荷載的傳遞路徑，傳至底板的內(nèi)力會(huì)引起底板內(nèi)力重分布。
3.3構(gòu)造措施及注意事項(xiàng)
（1）在水池池壁與頂板、底板交界處以及池壁與池壁交界處應(yīng)設(shè)置加腋。設(shè)置加腋目的是為避免應(yīng)力集中，其中池壁與頂板、底板的腋角高寬比為1:2，池壁與池壁之間的腋角為45°，腋角邊長(zhǎng)應(yīng)大于150mm，通常取壁厚的0.8~1.2倍，并應(yīng)構(gòu)造配筋，所配鋼筋應(yīng)不少與池壁或頂板、底板截面受力鋼筋的50%。（2）在水池頂板及側(cè)壁較大開洞處，設(shè)置暗梁、暗柱，彌補(bǔ)開洞對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度的削弱，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗裂性能。在側(cè)壁與側(cè)壁交界處，設(shè)置暗柱，增強(qiáng)水池整體性，避免產(chǎn)生超過(guò)規(guī)范要求的裂縫。適當(dāng)增加水平鋼筋配筋率，根據(jù)對(duì)已建成電廠水池結(jié)構(gòu)的回訪調(diào)研，水池產(chǎn)生的裂縫大多為豎向裂縫，加大水平鋼筋配筋率，保證不小于2%，對(duì)減少裂縫可產(chǎn)生重要作用。（3）為了避免鋼筋混凝土水池出現(xiàn)裂縫，并確?？?jié)B等級(jí)，施工時(shí)應(yīng)采取下列措施：1)池子施工時(shí)，應(yīng)振搗密實(shí)，混凝土澆筑后應(yīng)立即養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14晝夜;2)水泥宜選用普通硅酸鹽水泥；水膠比不得大于0.40，塌落度總損失值不宜大于4cm，膠凝材料用量不得少于340kg/m3，含砂率宜為35%~40%，灰砂比宜為1：1.5~1：2.5,最大氯離子含量為0.08%。砂、石應(yīng)致密，骨料應(yīng)采用石灰石、石英石或花崗石，但不得采用有堿骨料反應(yīng)的活性骨料；3）混凝土中應(yīng)摻抗裂防水劑，摻量為膠凝材料用量的9%~11%（具體以廠家為準(zhǔn)）；4)夏季施工時(shí)，應(yīng)盡量降低砂石進(jìn)入攪拌機(jī)溫度，必要時(shí)可采用遮陽(yáng)淋水措施。（4）用于固定側(cè)壁模板的對(duì)拉螺栓端頭應(yīng)進(jìn)行特殊處理，處理方案如下：1）將側(cè)壁內(nèi)外兩側(cè)的對(duì)拉螺栓端頭切除，切除深度應(yīng)進(jìn)入混凝土面內(nèi)1~1.5cm；2）用環(huán)氧膠泥將切除部位補(bǔ)平加強(qiáng)；3）按照建筑圖要求進(jìn)行防水層、防腐層施工。
4結(jié)論
本工程改變了以往只是單純采用二維設(shè)計(jì)的方法，通過(guò)PKPM水池模塊的有限元方法進(jìn)行三維建模，對(duì)事故水池內(nèi)力進(jìn)行分析，更準(zhǔn)確反映水池結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況，計(jì)算結(jié)果可靠準(zhǔn)確。同時(shí)，相比傳統(tǒng)有限元設(shè)計(jì)軟件如Midas/Gen、SAP2000以及ANSYS，PKPM水池設(shè)計(jì)模塊更為方便快捷，工程師可以查看包括所有工況組合計(jì)算結(jié)果、各板塊構(gòu)件配筋、變形、裂縫、地基承載力及抗浮設(shè)計(jì)等結(jié)果，而且可以生成模板圖以及水池配筋圖，非常適合日常結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以大幅提高工程人員的準(zhǔn)確率和設(shè)計(jì)效率。
參考文獻(xiàn)
［1］給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2007
［2］CECS1382002：給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.
作者：王群 單位：中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司