新型深床滤池的结构优化设计

时间：2024-07-28

王福彬周晨

(1.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200082；2.南京市市政设计研究院有限责任公司 210008)

引言

目前，对钢筋混凝土高悬臂水池的结构设计采用两种方法：对高悬臂壁板简化为悬挑板进行设计；增加扶壁柱对高悬臂壁板简化为水平单向板进行设计。此两种方法成熟安全可靠，故经常应用于实际设计中，但是此两种方法会造成结构尺寸大，占地面积大，对于一些特殊扩建工程现场条件受限，无法采用这两种方法进行设计，因此需另辟蹊径，对这种结构进行优化设计。

本文通过实际工程设计实例，对钢筋混凝土高悬臂水池进行结构优化设计，从而达到节约用地、节省工程造价的目的。

1 工程概况

南京市某污水处理厂扩建工程采用深床滤池工艺，为两个单元上下对称，两个单元之间设置双墙分开，该敞口高悬臂水池其中一个单元长度为32.930m，宽度为18.44m，净深7.29m，如图1 所示。水池壁板总体采用混凝土强度为C30，保护层厚度为35mm，采用 HRB400 钢筋；由于是污水处理厂，裂缝按0.20mm 控制。由于该水池长度及宽度方向均超长，故在长度方向设置了后浇带，宽度方向采用双墙设为两个水池，两水池间距1m。每个水池又分4 个区格，且每个区格水池都有单独允许的工况，即每个区格都可能单独有水的工况出现。

图1 深床滤池布置Fig.1 Deep bed filter arrangement

由于该项目为扩建工程，现场条件受限：在该深床滤池的北侧及宽度方向的上方8m 处为新建的接触消毒池，在这两个水池之间存在1 根DN2000 的生产管线及相应的宽度为5m 的阀门井，1 根 DN250 的污泥管，1 根 DN300 污水管；在该深床滤池的南侧及宽度方向上的下方距离7m 处为进出厂唯一现状主干道，在这主干道之间存在1 根DN2000 生产管及相应的宽度为5m阀门井，且该阀门井只能设置与该深床滤池及主干道之间，还存在DN250 中水回用管道。考虑到现场条件受限还需要预留一定的空间进行基坑支护。

按常规设计，该种池型的水池无法在此种受限的厂区进行布置，因此必须进行优化设计使该工艺在现场得以实施。

2 整体方案的比选

2.1 悬臂设计

根据《给水排水工程钢筋混凝土水池设计规程》(CECS 138：2002)[1]、《给水排水工程结构设计手册(第二版)》[2]，池壁壁板长度LB/池壁壁板高度HB＞3，故该深床滤池，壁板为上无支撑的悬臂单向板。最外侧为水土荷载，内侧为滤料及水荷载。内侧计算水位至顶部平衡孔处，即计算水深为6.79m；滤料高度为4.34m。该壁板内侧长度方向壁板由于存在分格运行工况，故每一格壁板两面均须考虑水及滤料荷载。由于壁板较高，最外侧壁板内侧水压荷载大于外侧水土压力荷载，故最外侧壁板内水压力为主控荷载。由于每个区格均须单独运行，故每个区格长度方向壁板受力情况相似，均为悬臂单向板结构形式。

在运行工况下，设计水位距离池壁顶端500mm 安全水位超高，池壁计算时池壁高度可只考虑设计水位至底板的距离，即6790mm 的壁板高度，即水池壁板受力情况如图2 所示。

图2 荷载计算简图Fig.2 Load calculation diagram

根据荷载简图，在长期效应准永久组合作用下，每延米悬壁板底弯矩Mq为：

式中：Mq1为水侧向压力所产生的弯矩；Mq2为滤料侧向压力所产生的弯矩。

根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB 50069 -2002)[3]进行最大裂缝计算，C30 混凝土相关参数根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010 -2010)(2015)[4]进行选取：采用壁板厚度为 900mm，钢筋直径为 25mm，布置间距125mm，每延米钢筋配筋面积As为3925mm2/m。

截面有效高度：

受弯构件裂缝计算系数α1、α2为：

HRB400 纵向受拉钢筋表面特征系数：

受弯构件的纵向受拉钢筋应力：

有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：

裂缝计算：

式中：b为截面宽度(mm)；h为截面高度(mm)；ψ为裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数；ftk为混凝土轴心抗拉强度标准值(N/mm2)；ωmax为混凝土构件截面最大裂缝宽度(mm)；Es为钢筋的弹性模量；c为最外层纵向受拉钢筋的混凝土净保护层厚度；d为纵向受拉钢筋直径。

根据计算，该深床滤池高悬臂壁板根据常规按悬臂板计算，底部截面厚度不小于900，且钢筋直径为25mm 间距125mm 可以满足要求。

2.2 有支撑设计

根据该池型特点，可考虑利用该池型配水渠底板设计成水平卧梁，作为该深床滤池高悬臂壁板的支点，从而转变为距离顶部2350mm 处有支撑，下部在底板处固支的受力状态，该种优化设计布置具体见图3。此种假设成立，配水渠底板的水平刚度应满足《给水排水工程钢筋混凝土水池设计规程》(CECS 138：2002)[1]第 6.1.4 条水平刚度支承的要求。池外壁配水渠底板水平刚度相对于其他位置处最小，故只需验算最外侧水平刚度。

最外侧壁板配水渠底板截面惯性矩：

壁板截面惯性矩：

最外侧壁板配水渠底板计算跨度L与池壁壁板高度HB的比值：

满足《给水排水工程钢筋混凝土水池设计规程》(CECS 138：2002)[1]第 6.1.4 条水平刚度支承的要求。故该壁板配水渠可作为池壁的不动铰支承。

图3 优化设计布置Fig.3 Optimization layout design

取单位壁板宽度进行受力分析，其可以简化为梁长度为6790mm，左侧固支，右侧自由，距离右侧1850mm 处存在竖向支座，具体见图4。

图4 优化设计荷载计算简图Fig.4 Optimization design load calculation diagram

根据图5 优化设计受力分析，在长期效应准永久组合作用下，每延米悬壁板底弯矩：

根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB 50069 -2002)[3]进行最大裂缝计算，C30 混凝土相关参数根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010 -2010)(2015)[4]进行选取：采用壁板厚度为 400mm，钢筋直径为 20mm，布置间距125mm，每延米钢筋配筋为2512mm2/m。

图5 优化设计受力分析Fig.5 Optimization design stress analysis

截面有效高度：

受弯构件：α1=0，α2=1.0

HRB400 纵向受拉钢筋表面特征系数：

受弯构件的纵向受拉钢筋应力：

有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率：

根据计算，该深床滤池高悬臂壁板根优化后底部截面厚度为400mm，且钢筋直径为20mm 间距125mm 可以满足要求。

2.3 结构方案确定

由于南京市某污水处理厂扩建工程项目在老厂区里改造，用地紧张，通过有支撑设计，每个壁板的尺寸从900mm 降为400mm，单个壁板可缩小500mm 截面尺寸，总计共缩小5m。由于该深床滤池采用有支撑设计，该种结构单体在此厂区里得以实施。故采用优化设计方案。

3 支撑结构优化

3.1 支撑形式确定

根据该池型的特点，利用该池型配水渠底板设计成水平卧梁，最外侧壁板水平卧梁的尺寸为500mm ×1300mm，其余则为 500mm ×2200mm。由于该卧梁跨度较大，故设置支撑梁作为该卧梁的水平支座，该支撑梁在每个区格连续，但在每个单元处断开。

该深床滤池存在分格运行的工况，当中间某个区格满水运行，该区格相邻的两个区格出现空池检修工况，此时支撑处于最不利工况，而在这种工况下支撑处于受拉状态，而本身支撑在自重的作用下处于受弯状态，因此该支撑处于小偏心受拉的状态，在抗震性能及破坏性能上，应尽力避免小偏心受拉，因此必须通过利用预应力将该种设计状态转化为偏心受压构件，改善受力。

3.2 支撑设计

预应力对撑梁采用后张法无粘接预应力混凝土技术，混凝土强度等级为C40。锚具：最外侧一端采用张拉端BM 扁型锚具；两个单元之间由于空间受限，只能采用固定端 P 型锚具，采用QVM15 -4 系列型夹片式多孔锚具(有预压)。钢绞线张拉控制应力系数为0.7，该预应力对撑梁位于污水处理池上方，裂缝控制等级为一级。

预应力筋计算时，在最不利工况下，即分格试水工况，每根预应力对撑梁所受到的荷载标准值为：

经过计算需要配置2 -4φS12.7 表示2 束每束4 根的无粘结预应力钢绞线。且还需对对撑梁进行受压验算，最终预应力对撑梁的截面取为400mm×500mm，断面配筋图见图6。

图6 对撑梁的断面配筋图Fig.6 Sectional reinforcement diagram of the support beam

3.3 水平卧梁的计算

水平卧梁可以简化为4 跨连续梁，且可不考虑活荷载最不利布置，根据受力分析，水平卧梁每延米所受到的荷载标准值即为壁板在该处每延米所受到的剪力标准值，且不考虑自重，即：

根据《给水排水工程钢筋混凝土水池设计规程》(CECS 138：2002)[1]，水的荷载分项系数取为1.27，那该梁所受到的荷载设计值为：

该水平梁计算结果见图7。

图7 优化设计水平卧梁Fig.7 Optimized design horizontal beam

4 经济性对比分析

采用悬臂板计算此种水池，需要采用壁板厚度为 900mm，钢筋直径为 25mm，布置间距125mm，每延米钢筋配筋为3925mm2/m。有支撑设计，采用壁板厚度为400mm，钢筋直径为20mm，布置间距125mm，每延米钢筋配筋为2512mm2/m。每延米节约钢筋用量大约为1413 mm2/m，节约混凝土量0.5m3。通过对该水池的优化设计，该单体预计可节约造价8 万元。