60张工文-大型污水处理池预应力施工技术

大型污水处理池预应力施工技术
张工文1刘航2李晨光2
（1、中国纺织工业设计院，北京1000371；北京市建筑工程研究院，北京100039）
提要介绍了某大型污水处理工程中预应力水池的结构方案和预应力施工技术，并进一步探讨了预应力技术在大型水池中的应用。

关键词水池，预应力，防腐蚀锚具，施工
1 工程概况
某大型污水处理项目包含多个大型矩形水池，如事故调节池（70.46m×79.38m×8.08m）、射流曝气池(32m×80m×9m)、UASB厌氧池(20m×68m×9.5m)等，这些水池由于体型巨大，且贮水水位较高，在使用荷载下较易出现裂缝，导致渗漏。

为防止池壁、池底混凝土在水压力、水温度的作用下出现裂缝，在池壁、池底中配置了无粘结预应力筋，在拉梁中配置了有粘结预应力筋。

该工程主要用于污水处理，属于二、三类环境，采用了L&L全封闭防腐蚀锚具，另外，由于采用了不同的结构方案，各水池的预应力筋布置各不相同，本文介绍了各水池的预应力施工特点。

2 结构方案
2.1事故调节池
该工程事故调节池平面布置如图1所示。

从图1可以看出，该事故调节池由三个连体水池组成，每个水池的轴线长度均为70.46m ，宽度分别为23.46m 、23.46m 、32.46m 。

事故调节池池底上表面到池壁顶高度为8.08m ，满贮水时，最高水位为7.6m 。

地基为素土强夯。

由于为事故调节池，结构除承受水压力外，还将承受80--90℃高温水所带来的温度作用。

可以看出，如采用常规钢筋混凝土结构，在上述水压力和温度作用下，结构将产生较大的内力，导致池体开裂。

为提高水池的抗裂能力，应主要从两个方面采取措施：一方面是结构方案的优化，即通过采用合理的池壁和池底厚度等方法，减小结构所承受的拉应力；另一方面是通过采用预应力技术，对受拉截面施加预压作用，从而减小结构所承受的拉应力。

这两种措施可以相互配合采用，以达到最佳的使用性能。

确定采用的结构方案平面布置如图2所示，池底采用变截面设计，中间薄，两边厚，池底 最薄部位厚300mm ，最厚部位厚1000mm 。

考虑到池壁截面应力自下而上迅速减小，采用变截面池壁，池壁根部厚900mm ，顶部厚300mm ，仅在池2顶部设置短方向的拉梁。

a 池底变截面布置 b 池顶拉梁布置
图2 事故调节池结构布置
2.2 UASB 厌氧池
UASB 厌氧池结构平面布置如图3所示。

图3 UASB 厌氧池结构平面布置
UASB厌氧池池底上表面到池壁顶高度为9.5m，满贮水时，最高水位达8.6m。

从图3中可以看出，UASB厌氧池是由两个连体水池组成，每个水池的平面尺寸为34.58m×20.14m，采用了扶壁柱、拉梁的结构方案。

除了在池壁上设置扶壁柱外，池内也等间距设置了结构柱，拉梁位于池壁中部，而不是池顶，这一方面是由工艺要求确定的，同时也改善了整个池体的受力性能，扶壁柱和拉梁的三维示意图见图4。

经有限元优化分析后确定的池壁厚度为350mm。

该池地基也为素土强夯，池底采用等截面设计，厚度680mm。

图4 UASB厌氧池扶壁柱和拉梁布置示意
2.3 射流曝气池
射流曝气池结构平面布置见图5。

图5 射流曝气池结构平面
射流曝气池池底上表面到池壁顶高度为9.02m，满贮水时，水位高度为8.0m。

从图5可以看出，该射流曝气池由两个连体水池组成，每个水池的轴线长度均为80.14m，宽度为16.35m。

为改善结构的受力性能，射流曝气池也采用了扶壁柱、拉梁的结构方案，与UASB 厌氧池不同，射流曝气池采用双层拉梁方案，如图6所示。

经有限元优化后，边池壁厚度
为350mm ，中池壁厚度为500mm 。

该池地基也为素土强夯，池底采用等截面设计，厚度580mm 。

图6 射流曝气池扶壁柱和拉梁示意
3 预应力筋的布置
本工程抗裂控制等级为一级，即在荷载效应标准组合下不允许出现拉应力：
0ck pc σσ-≤
为实现上述抗裂控制要求，首先用ANSYS 有限元分析软件对各水池按活荷载不利组合进行了内力和变形分析，根据荷载短期效应标准组合下有限元分析结果计算出的最大拉应力计算所需预应力钢筋的数量，非预应力筋按承载力验算确定。

预应力筋的曲线形状按有限元分析得到的应力或弯矩分布图布置，池底由于拉应力较小，且在不同工况作用下可能出现反向受力情况，池底预应力筋采用直线布置；对于可能承受正反两方向的中池壁及中池壁上的扶壁柱，也采用对称直线布置预应力筋。

事故调节池的边池壁预应力筋布置见图7。

图7 事故调节池边池壁预应力筋布置
由图7可见，对于事故调节池的边池壁，其竖向应力主要为内侧受拉，且随高度逐渐减小，因此预应力筋贴池壁内侧布置，到池顶趋于中心线；水平应力的分布则较竖向应力有较大不同，对于短池壁而言，跨中部位池壁外侧受拉，支座部位内侧受拉，因此预应力筋采用了抛物线形状布置；对于长池壁，支座内侧受拉，而离开支座一定距离后，水平方向基本没有拉应力，因此采用了图示的预应力筋布置方式。

图8 UASB厌氧池边池壁预应力筋布置
由图8可见，对于UASB厌氧池的边池壁，其竖向应力分布主要呈现池壁根部内侧受拉，中部外侧受拉，顶部应力很小的特点，因此竖向预应力筋采用了抛物线与直线相接的布置方式，以尽可能符合其拉应力分布；由于长池壁和短池壁均设置了扶壁柱，水平应力的分布基本相同，即跨中部位池壁外侧受拉，支座部位内侧受拉，因此预应力筋采用了抛物线形状布置。

对于射流曝气池的边池壁，其竖向应力和水平应力分布与UASB厌氧池基本相同，即跨中部位池壁外侧受拉，支座部位内侧受拉，因此预应力筋采用了抛物线形状布置。

4 预应力筋的施工
4.1全封闭防腐蚀锚具
图9 L&L全封闭防腐蚀群锚构造
由于该工程属污水处理工程，且位于江边，对防腐蚀的要求较高，为进一步提高预应力筋的防腐蚀性能，设计采用了L&L 系列全封闭防腐蚀锚具，该锚具的应用使预应力筋又多了两道防线。

L&L 系列全封闭防腐蚀群锚的构造如图9所示。

单根无粘结预应力筋张拉端锚具构造如图10所示。

图10 单根无粘结张拉端构造
4.2 预应力筋的铺设
预应力筋的铺设与非预应力钢筋的绑扎同步进行，对于上述水池，由于池底、池壁、拉梁、扶壁柱等构件中均要施加预应力，在铺设预应力筋时，配合土建施工顺序，按先底板，后池壁和扶壁柱，最后拉梁的顺序进行预应力筋铺设，曲线预应力筋的定位按固定马凳或定位钢筋实现。

直线预应力筋利用非预应力钢筋进行固定。

池壁内预应力钢筋定位示意图如图11所示。

图11 池壁预应力筋铺放示意图
另外，为保证池顶标高，同时也为使水池外立面保持整洁，预应力张拉端通过设置穴模而不露出混凝土表面，单孔锚具的张拉端穴模做法如图10所示。

对于有粘结预应力，采用镀锌波纹管作为预留孔道。

在铺设波纹管时，设置灌浆孔，并保证波纹管连接处的密闭性。

4.3 预应力筋的张拉
由于池底、池壁、扶壁柱以及拉梁等构件中均要施加预应力，应尽量减小施加预应力时，各构件间的不均匀变形。

因此需要配合土建施工，制订最优的预应力张拉顺序。

由于张拉预应力时，占荷载主要比重的水荷载尚未施加，池底、池壁、梁、柱等有可能在预应力等效荷载的作用下出现变形，另外，水池混凝土的浇筑是先底板，后池壁和扶壁柱，最后是拉梁，施工周期较长，先浇筑的混凝土达到设计强度时，后续构件可能尚未浇筑，结构整体也尚未形成。

如张拉方案设置不当，在张拉过程中可能出现不期望出现的情况。

综上考虑，本工程预应力张拉除考虑对称性原则外，还采取了如下张拉原则：
1、随土建施工顺序进行张拉
土建施工的顺序，是先浇筑池底，然后浇筑池壁、扶壁柱、最后浇筑拉梁。

为使结构受力均匀，减少预应力次内力的影响，同时也符合施工顺序，减少张拉占用的工期，张拉顺序也按底板、扶壁柱、池壁及拉梁的顺序进行张拉，也就是当混凝土强度达到设计强度时，即可对该部位进行张拉。

2、预应力筋分级张拉
预应力筋的张拉至少应分两级进行，这同样是为了保证结构受力均匀。

当混凝土强度达到张拉要求后，整体结构尚未形成前，首先应张拉部分预应力筋，待整体结构形成后，应张拉剩余的预应力筋，实现结构的内力重分布，以尽量减小不均匀变形。

5 结论
本文以某大型污水处理工程中预应力水池的设计和施工为例，介绍了有关的结构方案及预应力技术的特点和节点构造，从中可以得到如下结论：
大型水池抗裂要求较为严格，如按一、二级抗裂要求设计，一般应采用预应力技术以提高抗裂能力。

在对大型水池的结构方案进行比选时，应综合考虑其受力性能和经济指标，只要其内力和变形在规范容许范围内，应尽可能选择更为经济的方案。

污水处理工程的预应力水池，一般属二、三类环境，应采用连续封闭的预应力锚固系统，本文介绍的L&L全封闭防腐蚀锚具即可使预应力锚固系统处于全封闭保护状态。

参考文献
[1]Dan E. Branson, Deformation of concrete structures, McGraw-Hill, Inc., 1977
[2]《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ92-2004
[3]《混凝土结构设计规范》GB50010-2002。