复杂组合水池结构设计思考分析范文

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摘要：随着污水处理厂的大量新建和提标升级，复杂组合水池结构日益增多。文中结合实际组合水池案例，介绍了复杂双层组合水池进行结构设计和模型计算的过程，为类似项目提供参考。

关键词：组合水池；结构设计；有限元

0引言

传统的污水处理厂构筑物功能较为单一，单个水池通常仅具备一项功能，且占地面积大，对土地资源浪费严重。随着社会的发展，土地资源的紧张，复杂组合水池由于其占地面积小、使用功能多、单位吨数所需要的建设投资少等优点，越来越多地出现在污水处理厂建设过程中。对于超大超高、组合复杂的水池，传统的板壳计算方法已经难以满足需求，设计人员应当探索新的设计方案，针对结构设计中存在的不足，全面优化水池结构设计［1］。文中结合工程案例，对复杂组合水池结构设计的过程进行了总结，希望对类似项目提供一定的参考。

1工程概况

本工程位于安徽省芜湖市北部，为某污水厂提标改造项目中的单体——滤池。工程场地的主要土层从上到下依次为：①层杂填土、②层粉质粘土、③层淤泥质粉质粘土夹粉土、④层粉砂夹粉土、⑤层粉细砂、⑥层粉质粘土，静止水位埋深0.8~1.4m，抗浮设计水位为地面下0.5m。该单体平面尺寸为46.40m×32.30m，埋深约5m，主体结构由清水池、反冲洗水池及10格滤池，中部负一层管廊，中部上层过水渠道组成。本工程拟建场地20m以内土层等效剪切波速小于150m/s，根据有关规定，拟建场地20m范围内场地土类型属软弱场地土，同时根据本次详勘揭露地层资料及地区工程经验，拟建场地覆盖层厚度为15~80m，综合确定建筑场地类别为Ⅲ类，为建筑抗震不利地段，当无法避开时，应采取有效措施。拟建勘察场地的抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组第一组，特征周期为0.45s。

2基础设计

本单体基础坐落于③层淤泥质粉质粘土夹粉土层上，地基承载力仅65kPa，未经处理不可作为持力层。经过手工试算，本单体地基承载力需达到160kPa左右方可满足要求。根据工程经验，本单体基础方案主要有：水泥搅拌桩、预应力管桩和预应力空心方桩三种。水泥搅拌桩是一种常见的复合地基处理方法，具有工期短、成本低的优点，但水泥搅拌桩也存在着成桩质量较难得到保证，沉降较大的缺点。本单体由于结构复杂，完工后不具备重大维护的条件，因此不考虑采用水泥搅拌桩的方案。预应力管桩和预应力空心方桩同属于预应力桩，我们选取其中ZK23勘察点位进行分析，土层分布及参数如表1所示。考虑到本工程可选桩端持力层的端阻均不大，荷载主要有桩侧阻力来承受，因此按桩周长相近的原则选取PHS-AB350空心方桩与PHC-AB400管桩进行对比，对比参数见表2。从上表来看，350空心方桩与400管桩混凝土用量相近，竖向地基承载力也相近。预制桩均属于挤土桩，由于350空心方桩桩径较小，挤土效应远小于管桩，且桩基持力层为⑤粉细砂层，同时需要穿过粉砂夹粉土层，故桩间距最小应取4.0d，方桩最小桩间距为1400mm，管桩最小桩间距为1600mm。本单体面积较大，预估总桩数约500根，同时考虑分区布置的问题，最终考虑采用PHS-AB350空心方桩。

3主体结构设计

3.1池壁设计

本单体为多格水池，根据《给水排水工程结构设计手册》［2］，需要考虑工艺运行和检修的需要及使用中存在各种放空情况，其组合数量众多，需要对支座弯矩、跨中弯矩和轴力的极值进行计算。传统板壳计算方法是将每一块池壁分隔开来，视为三边固定、顶端自由、铰接或固定的单块板进行计算，再将计算所得的不平衡弯矩进行调整。手册同时提供了另一种算法：综合系数法，该算法根据查询已有的综合系数表，直接计算各个池壁的最大弯矩。水池格数较少时，以上两种算法使用起来较为简单。对于本单体而言，如对每块池壁在每种条件下单独计算，则计算量太大，因此设计时考虑采用有限元设计软件对构筑物进行整体建模计算。根据工程经验，对于双向受力的水池池壁，壁厚一般取使用期间最高运行水位的1/12~1/15。池壁太薄导致整体含钢量增加的同时，存在无法满足角隅区域混凝土抗裂度的可能，池壁太厚则既不经济也会使温度效应增强，不利于控制结构裂缝。本工程最高运行水位6.9m，由于滤池工艺设计为上向流曝气，按水位存在超高0.3m计算，同时滤池中堆积了大量填料，填料在项目运营期间长期存在，需考虑其对池壁的作用，因此设计时池壁厚度取550mm或600mm。本工程工艺采用陶粒填料，堆积密度按10kg/m3取值偏于安全。填料总高度为4.3m，对侧壁的作用参考主动土压力的计算方法，主动土压力系数取1/3，计算可得，陶粒对侧池壁的三角形分布荷载最大值为14.3kPa。池体为半地下式水池，地上3.55m，地下4.07m，根据水池规程，应考虑温湿度效应对池壁的影响。根据民用热工规范，芜湖地区最冷月气温为3.1℃，经过计算Δt=10.25℃。湿度当量温差按10℃取值，综合温湿度左右影响，模型中温度梯度荷载可按10.25×0.65=6.67℃加载于池内满水工况下的池壁上，方向应由内至外。通过对单体建立整体有限元模型（图2）进行计算，选取其中一格滤池的计算结果来进行分析。表3、表4分别为滤池外侧池壁、内隔墙的有限元受力分析结果。从表3的结果来看，考虑温度效应工况时地面以上和以下部分池壁的受力状况差异明显，地上水平跨中弯矩远大于地下跨中，两者又均大于不考虑温度时的弯矩；而水平拉应力远小于不考虑温度的工况。池壁水平方向配筋一般按偏心受拉构件进行计算，当池壁所受力为压力时，按受弯构件计算。由于轴力和弯矩在不同工况和位置差距极大，按单一方式配筋，不具有经济性，应当根据计算结果对是否考虑温度效应去包络进行配筋，实际配筋采用分段方式，地面标高下方500mm以上部分采用通长C18@150钢筋，以下部分采用通长C16@150钢筋，转角部分附加C16@150钢筋。通过与工艺专业沟通得知，后期运行中存在放空单格滤池更换滤料的情况，因此对于内隔墙进行计算分析时考虑一格放空，相邻滤池满水满填料的同时，不考虑池壁温度效应的工况。从表4的结果来看，由于考虑了水和填料对池壁的荷载作用，弯矩和轴力较一般水池更大，但是应力变化趋势基本相同。因此配筋与正常水池池壁类似，水平向采用通长C18@150钢筋，转角部分附加C16@150钢筋，竖向采用通长C16@150钢筋，根部附加C18@150钢筋。

3.2管廊顶板设计

本单体中部上层设计有过水渠的管廊，考虑上部过水渠池壁较高同时有约2m高的水头，设计方案考虑：顶板板厚为300mm，板下设两排立柱，纵向沿池壁底部设置通常的多跨主梁（300mm×500mm）；在横向根据过水渠和通风井的池壁位置，设置间距为2~3m的主梁（450mm×700mm/300mm×600mm）。对于这类厚板结构，通常采用弹性板6在盈建科中建模进行计算分析。弹性板6采用壳单元真实地计算楼板的面内刚度和面外刚度，是理论上最符合楼板实际情况的计算模型，非常适用于无梁楼盖、厚板转换、板柱结构。管廊上层设计有由多面池壁组成的过水渠和通风井，在梁的位置选择上将部分主梁布置于池壁下方，让池壁的荷载由梁来主要承担，使得整体受力的传递更加简单清晰。在模型前处理中，将上部有池壁的梁定义为框支梁，连接的柱定义为框支柱，框支梁柱的抗震等级根据抗规要求定义为二级，非框支梁定义为三级。通过建筑结构设计软件进行整体建模分析，可以较为便捷而且准确地得到管廊部分梁板柱的受力情况和配筋选择。需要注意的是，在建模过程中，管廊受到两侧滤池对壁板侧向的压力，管廊顶板与壁板的连接应为固接，在建模分析的过程中必须考虑这些因素，否则将影响计算结果的准确性［3］。

3.3防水防腐设计

水处理构筑物在使用阶段受到的腐蚀比较严重，如果停水对防护层进行维修或修复，会影响污水厂的正常运营，这就要求选择便于施工、使用年限长、经济性好的防水防腐材料。根据GB/T50046-2018《工业防腐蚀标准》［4］，生活污水的腐蚀性等级取中可满足要求。常用的材料主要有：聚合物水泥砂浆、渗透型混凝土保护剂、JRK三防一体化弹性防水防腐涂料、多点锚固PE板等。本单体采用S型JRK三防一体化弹性防水防腐涂料，要求产品使用年限不小于11年。它是以硅胶乳液为主要基料的一种环保涂料，无毒、无味；在干、湿混凝土基层上均可施工；可以渗入基层，封堵混凝土表面的微细裂纹，增加抗渗漏腐蚀效果；具有现场施工便捷、无需添加其他材料等众多优点。

4结语

随着对环保要求的逐步提高和土地资源的日益紧张，复杂组合水池将成为污水处理厂建设中常见的选择，复杂水池设计过程中，首先应领会工艺流程思路，合理调整结构形式和布局，建立整体模型，然后根据不同功能区域进行精细化设计，实现经济性、安全性和可实施性的最优解。

作者：谷昊伟 单位：中节能国祯环保科技股份有限公司