无粘结预应力卵形消化池结构设计与施工_万玉生

1、第21卷第1期2004年3月特种结构Vol.21No.1March2004无粘结预应力卵形消化池结构设计与施工万玉生叶雅丽韩勇史卿(中国市政工程华北设计研究院天津300000)(NorthChinaMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Tianjing)摘要本文根据某污水处理厂工程中的卵形消化池的工程实践,简要介绍了无粘结预应力卵形消化池结构设计与施工过程,对其材料选用、内力及配筋计算、防腐防水构造、预应力钢筋变角张拉测试、无粘结预应力筋的孔道摩阻损失测试方面存在的一些问题,提出了解决的办法。关键词无粘结预应力卵形消化池变角张拉摩阻损失A

2、BSTRACTAccordingtotheprojectofegg-shapeddigesterinoneWastewaterTreatmentPlant,someproblemsandsolutionmethodintheprocessofdesignandconstructionaregiven,whichincludingthematerialselection,calculationofinternalforce,antisepticsmeasure,angle-changingtestofprestressedbar,frictionlossofunbondedprestressed

3、bar.KEYWORDSUnbondedprestressEgg-shapeddigesterAngle-changingextensionFrictionloss一、工程概况在市政给水排水工程设计中,污泥消化池在国内以往多采用柱形消化池,和柱形消化池相比较,卵形消化池污泥搅拌没有死角,保温效果较好,池体受力性能较好,适合于建设大容量(10000m3以上)的消化池,因而杭州市四堡污水处理厂扩建工程中采用3个单池容量为10700m3的卵形消化池。该卵形消化池地面以上高度为32m,地面以下高度为13.6m,采用钻孔灌注桩桩基基础,平均桩长45m。正常运行时池内最大水头高度为42m,池内气压为0.5

4、kN/m2,池内温度保持在35°C左右,池内气体对钢筋混凝土结构具有强腐蚀性,池内污泥具有弱腐蚀性。采用双向无粘结预应力体系,其壁上不设扶壁图1池体剖面柱,无粘结预应力钢筋采用变角张拉技术。池体剖面如图1所示。二、结构设计与施工1.计算模型卵形消化池地面以上部分壁厚较薄,壁厚与曲率半径比值在0.70.4之间,受力主要以环向拉力和竖向弯矩为主,采用空间板壳单元模拟,建立空间壳体计算模型。考虑到池体不同部位的受力大小、边界条件,要划分不同尺寸的四节点空间板壳单元,从而通过较少的空间板壳单元获得较高的计算精度。地面以下部分壁厚较大,壁厚与曲率半径比值在13之间,受力要考虑三向受力状态,采用

5、块体单元模拟,建立空间块体计算模型。桩基可采用弹性的支撑单元来模拟,桩间土的影响对桩基计算有利,计算模型中忽略其有利影响。壳体单元与块体单元、块体单元与弹性单元的连接应符合空间受力平衡条件及空间变形协调条件。建立图2消化池计算模型立面的空间整体计算模型见图2所示。2.结构设计(1)设计参数污泥容重取为10.5kN/m3,土容重均取为18kN/m3,设计水位按工艺设计最高水位超高0.20计。平台活载按功能取2.53.5kN/m2,安装和检修按实际活载计。(2)材料卵形消化池池内水头最大高度达到42m,根据池体的受力特点、结构形式、池体的抗渗要求、细部构造形式等,不同高度内可以采用不同强度等级的混

6、凝土。非预应力部分的混凝土可以采用较低强度等级的混凝土,实际采SPST特种结构2004年第1期用C30混凝土,其它部分采用混凝土的强度等级为C40C45混凝土。非预应力钢筋采用普通热轧钢筋,钢制构件均为A3钢。j无粘结预应力筋采用高强75钢绞线,考虑到污水对无粘结筋的腐蚀性,因此优先使用环氧涂装无粘结筋,其设计参数如下:标准强度:fptk=1860N/mm2;控制张拉应力:.75fptk=1395N/mm2;延伸率:3.5%;公称直径con=015.00mm;单根钢绞线张拉力:N=195kN。(3)内力分析本工程的结构内力计算根据有关的国家规范进行,内力分析必须考虑施工阶段、正常使用阶段、闭水

7、闭气实验阶段的各种可能出现的荷载,需要考虑的荷载组合情况分列如下:自重自重+预应力施工状态自重+预应力+试水压力自重+预应力+试水压力+气压力自重+预应力+试水压力+气压力+温度作用自重+预应力+试水压力+气压力+温度作用+风压力自重+预应力+试水压力+气压力+温度作用+地震作用施工状态模拟分析其中气压力包括试验气压以及可能产生的负气压;温度作用包括季节温差作用及壁面温差作用以及它们在夏季、冬季对池体的不同影响;施工状态模拟分析应考虑池体分段施工非预应力混凝土以及分批施加预应力施工阶段的模拟分析。结构的内力分析工作量大,必须借助计算机及大型有限元分析软件完成,根据计算结果,池体的最大环向拉力在

8、池壁地面以上高度约1/6处,池体根部的竖向弯矩最大,和所建立计算模型时采取壳体单元的设想相符合。软件分析结果给出环向应力、弯矩和竖向应力、弯矩,依据分析结果,环向弯矩的影响可以忽略不计,竖向应力为结构的有利影响,当竖向弯矩值很大时应适当考虑竖向应力的影响,否则会产生池体根部配筋过大现象。池体在自重及水压作用下的应力、弯矩如图3所示。(4)配筋计算配筋按承载力极限状态和正常使用极限状态计算。无粘结预应力钢筋按照无粘结预应力混凝土的裂缝控制等级分为1级与2级计算。1级:严格要求不出现裂缝,按照荷载的短期效应组合进行计算时,构件受拉边缘的混凝土不产生拉应力。2级:一般要求不出现裂缝的受弯构件,按照荷

9、载的短期效应组合进行计算时,构件受拉边缘的混凝土产生拉应力不应超过actyftk。预应力损失计算要考虑以下预应力损失:锚具变形损失孔道摩阻损失11,锚具交错排列时可以折减一半;钢筋应力松弛损失12,锚具交错排列时可以折减一半;混凝土收缩、徐变损失,圆池系数分批张拉损失14;15;变角张拉损失预应力钢筋绕孔洞损失17;18;19。预应力损失总计pe=con-i;预应力损失要区分池体的下段、中段、上段以及孔洞处分别计算。卵形消化池平均预应力指扣除全部预应力损失后,混凝土总截面面积上建立的平均预压应力。对于混凝土的平均预压应力不宜小于1.0kN/mm2,也不宜大于3.5kN/mm2。图33.非预应力

10、工程(1)材料配置混凝土的水泥优先选用普通硅酸盐水泥,水泥标号不低于500,混凝土水灰比不大于0.5,设计中要根据其结构形式、受力特征控制混凝土抗渗等级。本工程属大型的贮液工程,对结构防水性能有较高的要求。在蓄水构筑物的混凝土中,要加入一定比例的外加剂,用于提高混凝土的密实度、抗渗性及抗腐蚀能力,同时还可补偿混凝土的收缩变形,有效的预防混凝土早期裂缝的产生。(2)模板工程卵形消化池池体为双曲面,双曲面定型模板的一次性摊销费用大。在国外,卵形消化池的设计与施工已经有专业化的公司完成,有专门的模板及其支护系统、提升系统,整套模板系统的价格相对较高。在本工程的施工中,中国建筑第八工程局采用了自行开发

11、并已经成功使用的简易模板系统,在精度满足工艺、结构设计与施工要求的情况下,较国外的专业模板系统节省了投资。其缺陷是近似模仿卵形消化池的双曲面特征,对池体的受力性能有一些不良影响,影响程度可以根据其模板尺寸作定量分析。(3)混凝土工程混凝土浇筑前应检查所有预埋件及预留洞口的位置准确无误,承台及池壁混凝土浇筑宜连续进行。卵形消化池的竖直方向不得留设施工缝,水平方向施工缝的设置应根据卵形消化池的受力特征慎重对待,并且应认真处理,方可继续浇筑上部混凝土。4.预应力工程(1)预应力方案选择No.12004万玉生等无粘结预应力卵形消化池结构设计与施工SPST国内已建成的卵形消化池为数不多,设计及施工经验相

12、对较少,根据卵形消化池的受力特征采用了双向无粘结预应力体系。基于卵形消化池的外形特征,只能采用有粘结预应力方案及无粘结预应力方案。无粘结预应力方案相较于有粘结预应力方案的特点如下:无粘结预应力钢筋的摩阻损失较小,可以建立较高的预应力值,从而降低工程造价;无粘结预应力钢筋(包括钢丝束和钢绞线)外层涂有油脂并包裹塑料管(PE管),防腐蚀性能较高;无粘结预应力钢筋不需要进行灌浆,减少了施工步骤,不存在灌浆不密实的问题。经过初步计算,采用无粘结预应力方案较采用有粘结预应力方案节省预应力钢筋1/5左右。(2)锚具选用无粘结预应力方案对锚具的要求相对较高,锚具是预应力工程中的关键,因此锚具是整个预应力体系

13、中的“心脏”。无粘结预应力筋锚固体系采用OVM型预应力体系。锚具应采用类锚具,要求锚具效率系数不小于0.95。锚具应按照有关的国家规范要求进行200万次疲劳性能和50次低周荷载试验。卵形消化池的锚具防护、防腐做法直接关系它的使用年限,第一代锚具防护、防腐做法对于卵形消化池这样的双向无粘结预应力工程不可靠。设计中采用防腐性能较为可靠的OVM锚具防护、防腐体系。(3)预应力钢筋布置卵形消化池环向采用OVM群锚或环型锚具(HM游动锚)体系,竖向采用扁型锚具(BM)体系。环向的预应力钢筋每圈有两束组成,每束钢筋绕池体180°。环向的预应力钢筋的单圈布置见图4所示。(4)预应力钢筋变角张拉测试

14、预应力钢筋的变角张拉适用于不设扶壁柱的薄壁结构工程。张拉开孔尺寸及变角块如图5所示,变角块的变角角度有33°、30°和25°三种。根据以往的施工经验,有粘结预应力张拉工程中,这种变角张拉的变角块摩阻损失占张图4拉控制应力con的9%左右,在无粘结预应力工程中,尚无实测的资料可查。为了确保在池体上建立起适当的有效预应力,必须测试变角块的摩阻损失的大小。预应力工程上常用的变角块有好几种,如图6所示OVM锚具体系中的变角块变角方法,它是由一块块一侧较薄渐变成另一侧较厚的圆形块体组成,块体上孔洞的分布圆、孔径大小及个数应和所选用锚具相配套,孔洞一般作成直线形,不带弧度,为

15、了减少孔道摩阻损失,可在孔洞的四周作四氟类垫圈。测定变角块的摩阻损失可用图7所示的方法:利用两只同型号、同样标定的千斤顶,两端都装上锚具(锚具内不放夹片)一端装上变角块,这一侧的千斤顶作为主动张拉千斤顶,另一侧的千斤顶作为被动端千斤顶。台座的长度为3m,台座上的预应力钢筋为直线分布,预应力钢筋在台座范围内的孔道摩阻损失可以忽略不计,因而主动端千斤顶和被动端千斤顶的读数差值即为变角块的孔道摩阻损失值,再换算出变角块的摩阻损失所占张拉力的百分比。(5)预应力钢筋孔道摩阻测试孔道摩阻系数值直接影响无粘结预应力筋的孔道摩阻损失L2的大小,还影响计算无粘结图5预应力筋的张拉伸长值。无粘结图6图7预应力筋

16、的孔道摩擦系数值与预应力筋的曲率半径R、两端曲线的切线的夹角的大小有关,和梁板体系相比,对于一些特种构筑物,曲率半径R较大、转角较大,值宜作施工现场测试,并按测试值取定张拉控制应力和计算理论伸长值。测试方法按照图4所示方法进行,测试张拉时记录每级加载后的主动端千斤顶及被动端千斤顶油压表的读数,两端j读数经换算后的荷载差值即为一道7 5钢绞线全长范围内的孔道摩阻损失。按下列方法计算摩擦损失率:摩擦损失率=(主动端张拉力-被动端张拉力)/主动端张拉力SPST特种结构2004年第1期根据测试结果,可以反推出实际的孔道摩阻系数值的大小,从而确定实际在池体上建立的有效预应力大小和实际伸长值。根据测试结果

17、,可以看出值在一定的范围内波动,设计中可根据R、的大小,取定不同的值,以建立适当的有效预应力。(6)预应力钢筋张拉施工当全部池体混凝土达到设计强度后,方可张拉预应力筋。采用每圈同时张拉,并控制各端的张拉应力值相等。一般情况下,张拉顺序先环向后竖向,环向可自下而上或自上而下隔圈张拉,竖向间隔对称大循环张拉。此外,张拉顺序应通过施工状态模拟分析验算,张拉顺序的最佳方案可以通过施工状态模拟分析并考虑施工等因素最终确定。单圈无粘结预应力筋的张拉工艺为:从零应力开始张拉至1.03倍预应力筋的张拉控制应力con。本工程采用以应力控制张拉为主,以伸长值作为校核的双控方法,如实际伸长值大于理论计算伸长值10%

18、或小于5%,应停止张拉,查明原因,采取措施予以调整后方可继续张拉。预应力筋张拉、锚固完毕后,要求对锚具槽进行封锚。应将锚具及外露预应力筋油渍清除干净,并按照产品样本要求采用OVM无粘结结构防护系统,对锚具连接处进行连续封闭,确保对无粘结筋及锚具的永久保护。将锚具槽处混凝土凿毛洗净,并在槽口内壁涂以粘接剂,以加强新老混凝土的联接,及时用C50细石膨胀混凝土填实,并注意认真洒水养护。(7)池体应力、内力测试根据卵形消化池的受力特征,施工阶段在池体的不同部位埋设应力应变片,测得施加预应力前空池状态、施加预应力后空池状态、池内满水状态下的应力,通过埋设应力应变片的方式,可以由应力计算得弯矩,实测结果和

19、池体内力分析结果比较吻合。测试工作主要由浙江大学结构力学教研室人员完成,其埋设的应力应变片可以常年、随时根据需要读取数据,亦即可以根据需要测得池体在正常运行阶段或将来设备检修阶段的应力、内力状况,这对于监测池体的安全状况很有用。运行单位可以根据需要,在适当阶段进行此项监测工作。5.闭水、闭气试验待张拉工作完成后,方可进行闭水实验,闭水试验合格后,方可进行闭气试验,闭气试验采用的试验压力为1.5倍的工作压力其值为9.0kN/m。闭气试验将池内充气至试验压力后,测定池内气压和温度值,作为初次读数,间隔24h后,再测定池内气压、温度及池外大气压力。在正常使用状态下,池中水位不允许超过设计水位,池内气

20、压不可超过设计压力。6.防腐防水、保温构造卵形消化池的设计水头很大,消化池防腐防水涂层的设计及施工应认真对待。简单依靠混凝土的抗渗很难达到闭水、闭气实验以及有关规范对于渗漏范围、渗漏点数要求,因此消化池的防腐涂层必须有防水功能。根据工程实践,认为消化池防腐防水涂层的厚度及延性最为关键。消化池防腐、闭水、闭气的要求很高,故要求由专业施工人员施工。施工时应加强通风、监护。闭水、闭气实验后,方可进行防腐防水涂层施工。施工前必须对基面上的蜂窝麻面、裂缝及渗水处进行认真处理。消化池防腐防水涂层采用无毒环氧防腐防水涂料,消化池防腐、防水处理除要求达到一般的国家标准要求外,还要满足以下的特殊要求:(1)要求涂料应通过省部级以上的鉴定,确保材料的可靠性、科学性;(2)要求使用无毒的防腐防水材料,涂料的本身及其溶剂都应无毒;(3)要求防腐、防水涂层的总厚度:在水压力较大及沼