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摘要：本文作者通过对无粘结预应力技术的应用介绍，结合某污水处理场工程二沉池及吸附沉淀池的工程实例，主要就无粘结预应力圆形水池无温度伸缩缝的结构设计进行了详细的阐述，同时就无缝水池在经济性、耐久性及抗震性等优点进行了探讨。
关键词：无粘结预应力；圆形水池；温度伸缩缝前言：
近年来，随着人们经济和生活水平的不断提高,生产和生活用水量大幅增加。目前的污水处理量远远超过以前。根据我国《城市污水处理及污染防治技术政策》(建城[2000]124号)已明确指出,到2010年污水处理率达60%左右。因此，往后的污水处理工程中的吸附沉淀池、二沉池、曝气池等构筑物的容积将越来越大。为了能使水池结构具有较好的耐久性及抗震性，在水池结构设计中采用无粘结预应力技术是较为理想的方法之一。
1．无粘结预应力技术的应用
近年来，无粘结预应力技术在圆形构筑物中日益成熟。它的工艺原理是:在绑扎构筑物池壁或桶身钢筋的同时,将预应力筋按设计要求逐环固定在模板内,然后浇筑混凝土,待混凝土达到设计强度后,利用无粘结预应力筋与混凝土不粘结、可滑动的特点,在两端头进行张拉,再利用锚具将钢绞线固定于端头的锚固板上,用混凝土封闭锚固端,从而达到对圆形构筑物产生预压应力的效果,就像给木水桶加了钢箍一样。无粘结预应力技术在圆形水池中应用的优点:
(1)给混凝土施加预应力后,水池的整体性和抗震性能得到加强;
(2)使用预应力筋解决了温度应力问题,不需设伸缩缝,也从根本上解决了水池裂缝问题;
(3)由于混凝土被施加预应力以后,混凝土本身受压,其抗渗性能也大大提高,而且水池的耐久性也大大提高了。这种无缝设计不仅可以节约水资源,也从根本上解决水池渗漏问题,同时可以节省大量的维护管理费用。
(4)与普通的后张法和绕丝及电热张拉法比较,工艺方法简单,摩擦损失小,减少了施工工序和施工设备的投入量。
(5)经济效益明显,当水池容量超过3000m3时,使用无粘结预应力技术可以节省较多建设资金。与普通钢筋混凝土水池相比,池壁厚度大大减小,可以节省15%~35%的混凝土及30%~50%的普通钢筋用量(见中国论文协会网中国市政工程东北设计研究院刘志刚著《60m×120m方形预应力曝气池(无温度伸缩缝)结构设计与施工》及《20000m3无温度伸缩缝预应力矩形清水池结构设计与施工》。
2．工程实例
某大型污水处理场首期规模处理污水3×105m3/d,占地面积31.2公顷,本工程有4个吸附及再生沉淀池(直径56m,高5.5m),有8个二沉池(直径53m,高5.0m),池内水温在34℃左右。
本文仅对吸附及再生沉淀池设计作一详细介绍,布置平面图见图1。设计过程中需要解决温度应力、伸缩缝、裂缝和工程造价等问题。
2.1．设计前期考虑3个方案
(1)设置混凝土后浇带,后浇带砼待其两侧混凝土浇筑完毕后2个月左右再进行浇注。但后浇带只能解决施工期间混凝土的收缩问题,并不能解决季节温差(湿差)所产生的温度应力问题。对于水池类结构,随着时间的延续,后浇带很难确保池体混凝土不发生开裂、渗水。
(2)采用膨胀加强带,在混凝土中掺加膨胀剂,目的就是在混凝土中产生膨胀应力。其产生的膨胀应力值是有限的,也就是说超过一定的界限就起不到应有的作用。而且,膨胀剂的效用与水泥的品牌、矿物成分、性能及施工等多种因素有关,在养护条件差的环境中,膨胀剂也不一定能起到抗裂的作用。
(3)使用无粘结预应力钢绞线来解决温度应力问题。本工程地基土为软弱土,土质较差,我们进行了碎石桩的地基处理,地基对水池的摩擦力较大,而且池底为锥型,池内水温在34℃左右,水池容量超过了3000m3,从这些特点来分析,又综合上述3个方案,最终选择了池底板使用第二方案,池壁使用第三方案。
2.2．方案确定后若干设计问题的处理
(1)圆形水池池壁设计需要完成:
1)计算假定:本工程吸附沉淀池和二沉池按圆柱壳计算竖向受力和环向受力。
2)材料选用:按规程CECS138:2002,预应力水池选用混凝土强度最小为C30,设计时选用C40,避免混凝土强度过高,否则会带来温度应力加大;普通钢筋选用带肋钢筋;预应力筋选用无粘结预应力钢绞线。
3)池壁厚度的设计选用:做了大胆尝试,池壁设计厚度仅250mm,若设计池壁厚度太大,会增加温度应力和预应力筋数量,影响整个工程造价,但250mm厚的池壁给施工带来了一定的难度。
4)池壁环拉力计算:考虑池内水压力作用产生的环拉力和池壁壁面温差作用产生的环拉力,通过环拉力计算所需预应力钢筋,此时假定池壁顶自由,底部铰接,计算中要考虑预应力损失,包括锚具变形损失、池壁摩擦损失、应力松弛损失、混凝土局部压陷损失、分批张拉损失、混凝土收缩徐变损失等。www.tmgc8.com
5)池壁环压力计算:本工程水池池壁在地面以上,固无土压力,仅有预应力钢筋的环压力,此时要求池壁混凝土的轴心抗压设计强度fc必须达到75%以上。
6)池壁竖向受弯及配筋计算:池壁竖向弯矩由池内水压、池外土压、池壁温差和预应力钢筋施加压力产生;水压,池壁温差及土压作用下,池壁竖向弯矩按池壁底端铰接、顶端自由情况计算,但考虑杯槽部分嵌固作用;预应力钢筋压力产生的池壁竖向弯矩,按池壁底端滑动、顶端自由情况计算;四组荷载作用按照施加预应力阶段、试水阶段和使用阶段分别组合,控制池壁裂缝不大于0.2mm的前提下进行配筋计算。
(2)无粘结预应力钢绞线的分段长度确定:分段长度太长时张拉效果不好,经与专业施工单位的共同探讨,采取50m范围内的长度比较合理,进行两端张拉,交错张拉。
(3)预应力筋锚具选择:根据工程特点和施工单位的技术水平,我们选择了夹片锚具,在锚固肋处夹片锚具露出混凝土表面,张拉完预应力筋后将预应力筋端部外露部分在距锚具50mm处切断,然后对外露预应力筋、锚具和锚板尽快涂刷防腐涂料,并随即浇筑混凝土封闭,详见图2。
图2锚固肋处夹片锚具
1-ф6@200;2-1ф6;3-预应力钢绞线张拉完成后浇筑;
4-承压板及螺旋筋;5-直径15.2mm预应力钢绞线
(4)应力架的设计:圆形水池的池壁上不可避免的存在工艺管线的穿行,当孔洞小于预应力筋间距的两倍时,预应力筋可以绕过孔洞布置,当孔洞大于预应力筋间距的两倍时,预应力筋无法绕过孔洞而被打断,这就需要设置应力架(也称锚固架)来锚固预应力筋。应力架设计要考虑混凝土的局部承压和抗剪及应力架自身强度。
(5)池壁板底部的处理:在池底板上做杯口,池壁板插入杯口中,池壁板底部铺设橡胶板;施工过程要求先浇筑池壁板内侧杯口混凝土,然后浇筑池壁板混凝土,再张拉预应力钢筋,此时满足池壁板底部为铰接设计的假定,然后浇筑池壁板外侧杯口混凝土,并用灌浆料和防水油膏处理杯口的缝隙,防止漏水,满足了使用阶段池壁板底部为半刚半铰的设计假定,池壁板底部详图见图3。
图3池壁板底部结构示意
1-预埋50@500排水管,清洗完后管端封闭;2-CGM-2灌浆料;
-防水油膏;4-C40细石砼;5-砂浆找平,上铺5mm橡胶板;
6-虚线以上砼待环向预应力筋张拉完毕后浇筑;7-后浇缝
(6)池底板的膨胀加强带的设计:池底板面积比较大,成倒锥形,池壁施加预应力时,也给底板施加了水平预应力,仅从构造角度考虑设计膨胀加强带,底板沿径向设4道膨胀加强带,其它处混凝土掺加普通量膨胀剂,通过这些构造措施来控制温度应力。
(7)要求施工单位严格控制水泥用量,石子、砂子的粒径和含泥量;由于池壁又高又薄,建议施工单位采用较大的混凝土塌落度,同时利用串筒浇筑防止混凝土离析;由于池壁周长较长,建议采取多罐车连续的浇筑;对池壁混凝土的养护提出了悬挂塑料小水管密孔喷雾洒水方法的建议。
3．结语
本工程的预应力圆形水池已经投入使用一年多,情况良好,没有出现裂缝、渗水等异常情况,其渗漏指标均满足《地下防水工程质量验收规范》和《混凝土水池工程施工及验收规范》规定的标准。
参考文献
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[2]CECS 138-2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].
[3]给水排水工程结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社(第一版),1984.
[4]JGJ/T92-1993无粘结预应力混凝土结构技术规程[S].
[5]陶学康主编.中国建筑科学研究院.后张预应力混凝土设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.
