扶壁柱框架結(jié)構(gòu)在超深雙層沉淀池中的應(yīng)用

宋紅玉 王寧

(天津市市政工程設(shè)計研究院 300392)

引言

近年來,隨著污水處理廠用地指標(biāo)控制越來越嚴(yán)格,單方水處理占地面積不斷縮小,集約化、占地小的水處理構(gòu)筑物越來越多,在容積不變的情況下只有通過加深池深或采用多層水池解決占地問題。對于生物反應(yīng)池、接觸池、矩形沉淀池等單向板水池,池壁彎矩計算值與池深的立方直接相關(guān),池深的加深造成壁厚和投資的顯著增加。對于超深單層水池,若能通過設(shè)置扶壁柱使單向板池壁轉(zhuǎn)化為雙向板,則可大大減小其內(nèi)力,使結(jié)構(gòu)受力更加明確、經(jīng)濟合理。本文對雙層平流沉淀池進行介紹,并探討如何利用扶壁柱框架結(jié)構(gòu)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 雙層平流沉淀池簡介

雙層平流沉淀池是根據(jù)淺池理論從平流沉淀池發(fā)展起來的一種雙層沉淀池,通過增加一層沉淀池底板,將原有的平流沉淀池分隔形成了兩座較淺的平流沉淀池,從而提高了沉淀池的處理效率和去濁效果,沉淀池停留時間也可相應(yīng)減少。由于增加了沉淀池的有效水深,雙層沉淀池的池長得以縮短,占地面積可大大減少[1]。雙層平流沉淀池在繼承普通平流沉淀池優(yōu)點的基礎(chǔ)上,有效提高了處理效率,減少了占地面積,使建設(shè)用地較少的緊湊型水廠采用平流沉淀池成為可能,雙層平流式沉淀池如圖1 所示。

圖1 雙層平流沉淀池示意Fig.1 Double-deck horizontal sedimentation tank

2 扶壁柱在水池結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

帶扶壁柱的水池結(jié)構(gòu)如圖2 所示,一般扶壁柱間距為(1/3 ～1/2)H(H為池高),扶壁柱厚度一般為扶壁柱間距的1/8 ～1/6。由于扶壁式水池結(jié)構(gòu)為多向結(jié)構(gòu)的組合,結(jié)構(gòu)類型為空間結(jié)構(gòu),在墻身與扶壁柱內(nèi)力計算時,一般采用簡化的平面問題,按近似方法計算各個構(gòu)件的彎矩和剪力[2]。扶壁柱通常按固接于底板的梁計算其內(nèi)力,當(dāng)側(cè)墻壁板位于受壓區(qū)時按T 型截面計算,位于受拉區(qū)時按矩形截面計算。

圖2 扶壁柱示意Fig.2 Buttress column structure

扶壁柱承受相鄰兩跨墻面板中點之間的全部水平力,扶壁自重與作用于扶壁的豎直壓力暫忽略不記。扶壁柱的計算有兩種主要的荷載工況: 1)池內(nèi)滿水,池外無土; 2)池內(nèi)無水,池外有土。

扶壁柱結(jié)構(gòu)多應(yīng)用在單層超深水池結(jié)構(gòu)中,以水深9m 的敞口生物反應(yīng)池為例,其外池壁為上端懸臂單向板,根部產(chǎn)生彎矩為每延米1215kN·m,如此大的彎矩即使采用配置并筋的方式,其根部壁厚仍達(dá)到1.2m 左右,這個方案并不是一個經(jīng)濟的做法; 若外池壁設(shè)置扶壁柱,間距4m 左右,則池壁彎矩減小至120kN·m,壁厚可減小至0.4m 左右。按縱向4m 長一段池壁計算,懸臂方案(池壁厚度由根部1.2m 變至頂部0.4m) 鋼筋混凝土用量為25.6m3,扶壁柱方案(池壁厚0.4m,扶壁柱截面高度由根部2m 變至頂部0.8m)鋼筋混凝土用量為19.8 m3,總混凝土量減小22.7%,可見扶壁柱方案更加經(jīng)濟合理。

3 工程案例

3.1 工程概況

某污水處理廠工程位于大連市,建設(shè)規(guī)模為12 萬t/d,出水水質(zhì)達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn),主體工藝采用“多級AO(改良A2O)生物池+雙層矩形沉淀池+磁混凝澄清池+轉(zhuǎn)盤濾池”組合工藝。針對處理規(guī)模,該工程選址用地面積非常緊張,占地面積約3.27hm2,折合噸水占地僅為0.273m2/ m3。

3.2 扶壁柱框架結(jié)構(gòu)

該工程二沉池采用矩形雙層平流沉淀池,總長70m,寬47.4m,共分6 格,內(nèi)墻存在一側(cè)有水工況,圖3、圖4 為該沉淀池平面和剖面示意,沉淀池分上下兩層,池頂設(shè)框架結(jié)構(gòu)檢修車間。圖4a 橫剖面中可見,上下兩層沉淀池之間通過兩側(cè)渠道連通,因此需要解決兩個問題,一是為中間層懸空板設(shè)置支座,二是池壁均為頂端懸臂結(jié)構(gòu),水深8.45m ～9m,按懸臂板設(shè)計壁厚太厚不經(jīng)濟。鑒于以上因素,采用扶壁柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,在池壁上設(shè)置扶壁柱,對應(yīng)位置設(shè)置框架梁對扶壁柱形成有效支撐,同時利用支撐梁作為中間懸空板支座,解決上述兩個問題。

圖3 雙層沉淀池局部平面示意(單位： mm)Fig.3 Plan of double-deck sedimentation tank (unit: mm)

圖4 雙層沉淀池剖面示意(單位： mm)Fig.4 Section of double-deck sedimentation tank (unit: mm)

目前該沉淀池已建成并投入使用,運行效果穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)安全可靠,圖5 為其通水實景。該沉淀池采用扶壁柱框架方案具有以下優(yōu)勢:

(1)池壁由懸臂單向板變?yōu)殡p向板內(nèi)力大為減小,壁厚從1.2m 減小至0.6m;

(2)扶壁柱頂端和中部設(shè)置支撐框架梁對扶壁柱進行支撐減小扶壁柱內(nèi)力,扶壁柱底端設(shè)置暗梁傳遞柱底彎矩形成封閉框架結(jié)構(gòu),受力明確、經(jīng)濟合理;

(3)中層支撐框架梁作為中層懸空板支座將荷載傳給扶壁柱。

圖5 雙層沉淀池通水實景Fig.5 Double-deck sedimentation tank under operation

3.3 結(jié)構(gòu)方案對比

表1 就該工程雙層沉淀池扶壁柱框架結(jié)構(gòu)方案和普通懸臂單向側(cè)墻板方案進行了對比。因上部柱網(wǎng)和工藝流程限制,側(cè)墻頂端最小壁厚600mm。扶壁柱框架結(jié)構(gòu)方案墻厚600mm,外墻扶壁柱尺寸800mm×1200mm,內(nèi)墻扶壁柱尺寸800mm×1800mm,墻高9.65m ～9.9m,扶壁柱間距6.25m,底板厚度1000mm; 懸臂單向側(cè)墻板方案墻厚從底端1200mm 過渡至頂端600mm,平均厚度900mm,墻高9.65m ～9.9m,底板厚度1400mm。由于本工程池外土荷載較小,內(nèi)力均按池內(nèi)有水池外無土工況計算,最深水深9m。結(jié)構(gòu)方案比選表中混凝土用量和投資計算僅考慮變形縫以左側(cè)墻和底板部分,投資計算已考慮扶壁柱框架結(jié)構(gòu)方案含鋼量高于懸臂單向側(cè)墻板的情況。

表1 結(jié)構(gòu)方案對比Tab.1 Structural plan comparison

從表1 可以看出,對比懸臂單向側(cè)墻板方案,扶壁柱框架結(jié)構(gòu)方案側(cè)墻內(nèi)力大幅減小,側(cè)墻和底板鋼筋混凝土用量減小24%,投資從810萬減小至640 萬,降低21%,可見該工程雙層沉淀池采用扶壁柱框架結(jié)構(gòu)方案更加經(jīng)濟合理。

4 結(jié)語

1.相對普通平流沉淀池而言,雙層平流沉淀池具有處理效率更高、占地面積更小的特點,適用于建設(shè)用地較為緊張的水處理工程。

2.對于超深單層水池,若能通過設(shè)置扶壁柱使單向板池壁轉(zhuǎn)化為雙向板,則可大大減小其內(nèi)力,使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理。

3.雙層平流沉淀池可采用扶壁柱框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,使結(jié)構(gòu)受力明確,滿足工藝流程要求。