1．工程概況

　　國內(nèi)污水處理廠構筑物中有消化池，一般多采用柱殼錐頂?shù)慕Y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(yōu)點。國外卵形消化池技術發(fā)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(jīng)濟優(yōu)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(chuàng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)徑可降低整個池子的重心，提高池體的整體穩(wěn)定性。

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

　　內(nèi)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(zhì)聚氨酯泡沫塑料保溫層采用現(xiàn)場直接噴涂發(fā)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(nèi)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(qū)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(huán)如圖3-1所示。
 

 圖3-1

　　內(nèi)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(yōu)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(nèi)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(nèi)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(jù)壁厚、保溫層的構造、壁面溫差取7.5℃；季節(jié)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(jié)點環(huán)向力、豎向彎矩等六個薄膜內(nèi)力。

　　塊體單元輸出各節(jié)點六個節(jié)點內(nèi)力分量。

　　3.4 荷載效應組合

　　按承載能力極限狀態(tài)組合進行設計。

　　根據(jù)GBJ9-87

　　3.4.1　γ0S≤R

        式中: γ0－結構重要性系數(shù)取1.10；
 
       S －荷載效應組合設計值；
 
       R －結構抗力設計值、設計中該值作為預壓應力的控制值。
 
　　3.4.2　S=γGCGGK+ γQ Q1K+γQ CQ2·φC1 ·Q2K

        式中: CG為荷載效應系數(shù)。上式用計算內(nèi)力值代換為
 
　　S=γGNK+γQ N1K+γQ N2K·φC1

        式中: γG－ 永久荷載的分項系數(shù)，取1.20；
 
       NK － 直重及池內(nèi)液壓作用產(chǎn)生的內(nèi)力；
 
       γQ1 － 溫度荷載分項系數(shù)，取1.40；
 
       γQ2－  水平地震荷載分項系數(shù)，取1.30；
 
       N1K、N2K － 分別為溫度變化和地震作用產(chǎn)生的內(nèi)力；
 
       φC1 －  可變荷載組合值系數(shù)，取1.0。
 

　　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(chǎn)品的質(zhì)量標準按美國ASTM、A416-87a和英國BS5896-1980相應指標制定。該產(chǎn)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(chǎn)生的永久變形小。其屈強比≥90%；

　　4.1.3產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中經(jīng)過穩(wěn)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(fā)的新一代的錨具系統(tǒng)。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(xù)一次張拉的要求而開發(fā)的又一類型錨具。經(jīng)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(xiàn)，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?shù)姆侄�，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(qū)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(jù)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(shù)>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(jù)池體的內(nèi)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生后，由于負摩阻的影響，對計算截面處的鋼絞線內(nèi)應力值不起作用，相反這部分損失值還可以調(diào)整鋼絞線內(nèi)應力的不均勻性。在某些工程設計中還采用適當?shù)膬?nèi)縮值來調(diào)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(jù)試驗，這部分的損失與施工時的熟練程度、弧形墊塊的塊數(shù)和墊塊上是否涂有潤滑劑有關，綜合各方面因素，采用12%σcon。

　　另一部分孔道摩阻按規(guī)范公式計算。

　　5.1.3預應力鋼絞線束應力松馳σ14

　　規(guī)范公式是按普通松馳級計算的。

　　σ14=φ(0.36×σcon/fhk－0.18)σcon

　　σ－調(diào)整系數(shù)0.9，取σcon=0.8fptk，則

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

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

　　5.2 砼收縮和徐變σ15

　　按規(guī)范公式計算。池體處于高濕度環(huán)境中，計算值可降低50%。

　　預應力總損失值為

　　σ損=σ12+σ14+σ15=0.429σcon

　　σcon－張拉控制應力

　　5.3 預應力筋的張拉控制應力σcon

　　σcon取0.8fptk

　　fptk－鋼絞線強度標準值1860N/mm2

　　σcon取值大于規(guī)范規(guī)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(chǎn)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0.704fptk，滿足規(guī)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(chǎn)生的環(huán)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(jù)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(huán)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(nèi)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(huán)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(wǎng)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(nèi)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(tài)，池壁以承受環(huán)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(nèi)在設計和施工方面均屬首次，缺乏這方面的實際經(jīng)驗。為確保工程的安全可靠，驗證所取設計參數(shù)的正確性，工程設計中安排了應力測試的內(nèi)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(jù)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(xù)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(tài)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(guī)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(shù)。

　　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(shù)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(diào)整。具有一定規(guī)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(tǒng)。所用材料基本上是以常規(guī)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(tǒng)經(jīng)施工實踐證明是切實可行的，三個池子施工形成流水作業(yè)之后可以滿足施工進度和質(zhì)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(xiàn)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(chǎn)生的應力損失值最小。

　　(2) 方便施工。

　　為減少砼收縮和徐變產(chǎn)生的預應力損失，設計中要求池體砼全部澆筑完畢后，養(yǎng)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?shù)氐牡叵滤缓芨�，接近于地表。如果滿足上述要求，施工降水將會持續(xù)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(jīng)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(jīng)養(yǎng)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(diào)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(shù)及鋼絞線伸長量雙控。加荷順序為

　　(1) 0→0.1σcon全部放松。調(diào)整絞線及弧形墊塊之間間隙。

　　(2) 0→0.1σcon→0.5σcon→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(diào)整。

　　8．卵形消化池的經(jīng)濟效益

　　通過與常規(guī)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(jié)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(jié)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(jīng)常使用中能耗可節(jié)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(jīng)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。