竹園污水處理構筑物大噸位裝配式結構施工技術研究

郭紹霖 (上海城建市政工程(集團)有限公司 上海 普陀 200065)

引言

2016年2月份國務院發布的《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》指出,要大力推廣裝配式建筑,以此來推動我國建筑業低碳、節能、環保的發展戰略。

國內已有較多在工程建設中應用裝配式施工技術的工程案例,針對污水構筑物建設也總結了一些成功的施工經驗。

目前有許多學者對污水處理構筑物進行裝配式施工進行了相關研究。梁亞楠等人從整個行業的應用背景入手介紹裝配式建造技術在污水處理廠建設過程應用的背景及特點,分析裝配式建造技術在污水處理廠建造過程中應用需要解決的關鍵問題。胡董超等結合上海白龍港污水處理廠提標改造工程BLG-C3標實踐,詳細介紹了預制疊合板、預制柱、梁柱預制節點等預制裝配式結構在地下污水處理廠工程中的運用。其中,著重對原設計方案的缺點進行了分析,并提出了改進的建議。另外還有一些學者從結構體系入手,做了部分相關研究。楊尚榮等結合深圳市下坪場生產廢水處理設施和地表水處理設施項目,介紹了預制雙面疊合剪力墻在污水處理池這類工程項目的應用情況。結構完工后防水效果良好,能有效避免大體積混凝土容易開裂的問題。

上述研究涵蓋了裝配式結構在污水工程中應用背景、污水處理構筑物裝配節點、污水處理構筑物裝配式結構體系進行了研究,但缺乏一定數量的工程案例支撐,同時缺少針對大型污水處理構筑物中裝配式結構如何安全、快捷施工的研究。因此,如何確保在國內尚無先例的情況下順利完成竹園污水處理廠四期工程的大體量、大噸位的裝配式結構拼裝任務,成為了正式施工前要解決的重點問題。

本文以竹園污水處理廠四期工程1.3標中日處理量50萬噸級AAO 生物反應池的裝配式結構施工為背景,對大噸位裝配式結構從前期準備、過程優化、技術試驗等幾個方面進行理論計算與實測分析,在正式施工前通過拼裝試驗總結了連接節點、安裝措施、質量管控等方面的關鍵控制技術,為今后類似結構條件下的裝配式結構施工提供一定的參考。

1 工程概況

本工程位于上海市浦東新區高東鎮,東至洲海路、南至華東路、西至規劃路(嘉里油脂廠東側)、北至外高橋船廠。為滿足竹園區域旱季峰值流量和初期雨水調蓄后進行處理再達標排放的需要,規劃新建竹園污水處理廠四期工程,規模120萬m/d。本標段為竹園污水處理廠四期1.3 標,建設內容包括:50 萬噸AAO 生物反應池、50萬噸平流式二沉池等配套構筑物。

1.1 預制拼裝施工概況

本項目AAO 生反池部分結構為預制混凝土構件,包括缺氧區的隔墻、頂板梁、頂板、好氧區的部分隔墻(帶空氣渠道和除臭渠道)。采用預制裝配式構件施工的區域共4個,單個區域長43.85m,寬78.56m,面積約3445m,總面積約14000m。單個區域的預制構件包含:預制墻194塊、預制梁84塊、預制板300塊、觀察窗6塊。單個構件最重為31t。

其中預制隔墻尺寸、噸位均較大,根據結構尺寸分為4類,根據線型、接口形式可細分為7種,其中1類為弧線段,3類為標準段。預制隔墻結構尺寸見表1。

表1 預制隔墻分類

1.2 主要難點分析及應對措施

1.2.1 主要難點分析

(1)本項目AAO 生反池A1、A1’、B1、B2’墻板、梁、頂板均為預制混凝土構件,單個構件重量最重為31t,這對現場吊裝作業提出來了很高的要求。

(2)項目預制構件數量大,預制梁構件數為336件、預制板構件數為1200件、預制墻構件數為776件,由于預制構件生產周期長,能夠大批量生產該規模預制構件的廠家并不多。

(3)由于生反池基坑尺寸較大,池體中部的預制構件離基坑邊線約100米,小、中型起重無法從基坑邊進行吊裝,大型起重設備雖能滿足起重要求,但臺班費用過高,經濟上存在不合理性。

1.2.2 應對措施

(1)構件制作場地

我司將選擇大型構件專業化生產廠商作為構件供應商。經實地考察后,其整個廠區內裝配式橋梁的預制場地約38畝,分為六個區:砼攪拌區、鋼筋加工區、鋼筋籠綁扎區、立柱預制區、蓋梁預制區和存放區。

(2)施工工藝流程

構件吊裝采用龍門吊,分幅進行吊裝作業。龍門吊跨度約36m 米,設置40t主吊及20t副吊,最大起升高度16m。整機控制精度為:起升2mm,行走20mm。

為解決龍門吊行走腿對梁板的影響,在龍門吊主梁外側懸挑2.2 米安裝16t電動葫蘆,便于退行安裝預制梁板。

將預制吊裝區域分成左右兩幅,分幅進行施工。構件運輸車輛沿場內道路行駛至基坑邊,倒車進入坑內鋼平臺,而后采用龍門吊進行卸車,堆放于結構底板上,然后龍門吊由南至北,分區域、依次退行安裝隔墻和梁板等構件。半幅施工完成后,采用雙機抬吊將龍門吊搬運至另外半幅。

2 大噸位裝配式結構施工關鍵技術

針對以上提出的主要技術難點,本文接下來將從連接節點、安裝措施、質量控制三方面闡述本工程在大噸位裝配式結構施工技術試驗中所用到的關鍵技術。

2.1 連接節點優化

裝配式結構的連接節點是施工質量好壞和施工速度快慢的關鍵所在。根據結構體系及使用功能的需求,目前的連接節點形式多為濕連接、后澆或漿錨。本工程結構底板、預制隔墻、預制頂板連接處均為濕連接。其中預制頂板分幅處的拼縫均為密拼,不作處理。故在原設計圖紙的基礎上,我們對預制隔墻間的豎向接縫和預制隔墻與現澆底板的水平接縫根據施工需求進行優化。

2.1.1 相鄰預制隔墻的豎向接縫

作為相鄰預制隔墻連接的豎向接縫,由于本次裝配式結構的施工范圍僅限于內部隔墻和頂板范圍,不涉及與外部相接的剪力墻,故防水要求較低,且無較高的結構受力需求。

在試驗構件的加工過程中,深化設計團隊提出可將豎向接縫由凹凸榫型調整為對接型,以獲得更為便捷的施工,避免因缺少側向力帶來的凹凸榫拼接不貼合而產生累積誤差。如圖1所示。

圖1 優化后的豎向接縫

2.1.2 預制隔墻與現澆底板的橫向接縫

作為預制隔墻與現澆底板相連的橫向接縫,本工程采取的是濕連接施工,采用UHPC 超高性能混凝土代替普通混凝土,達到鋼筋不焊接、不對接,采取錯位搭接即可達到受力需求。

在試驗構件的加工過程中,施工團隊提出預制隔墻底部全斷面濕接頭,未生根,安裝過程使用雙面四道斜撐進行支撐固定,對重達31噸的預制隔墻來說存在較大的安全隱患,且預測安裝效率較低,于是提出將預制隔墻底部局部落在底板上,兩側鋼筋錨固部分UHPC不變。如圖2所示。

圖2 優化后的水平接縫

2.2 預制構件安裝措施

2.2.1 預制構件標高調節

預制構件的高差主要受構件加工誤差和安裝過程中的安裝誤差影響。

針對構件的加工誤差,我們在構件加工過程中采購專業PC 模具加工廠進行加工,為有效地防止模板的變形,提高剛度,模板加工使用鋼板面板厚度6mm,上下筋板10mm,豎筋板為6mm。鋼板配模均使用激光切割,機械加工,確保構件尺寸的精度以毫米計。

針對構件的安裝誤差,主要分為預制隔墻和預制頂板兩個部分,在構件的安裝過程中,以控制預制隔墻的標高為主,避免因預制隔墻高差過大從而影響到拼裝在隔墻上部的預制頂板。

控制的措施主要分為三個部分:

(1)現澆底板平整度

在施工現澆底板時,加大定位標高措施鋼筋的密度,在提高底板面的收光精度和質量,確保現澆結構盡可能平整和接近設計標高。同時要求盡可能地做到負差,避免混凝土過高產生鑿除等后果。

(2)預制隔墻高差調節

在預制隔墻安裝前,均須測設隔墻所在位置的底板標高,然后根據高差使用60mm×60mm 大小、厚度在2mm～10mm 不等的鋼板/鋼墊塊,進而消除高差。

(3)預制隔墻垂直度調節

因角度傾斜,也可能會導致高差的產生。為確保預制隔墻安裝垂直度能符合相關規范要求,也為避免垂直度引起的錯臺、不平整等觀感缺陷。我們計劃采用限位器對預制隔墻垂直度進行初次校準,待隔墻就位后再配合龍門吊、靠尺等工具進行二次校準。

2.2.2 預制構件安裝固定

預制隔墻采用單面兩根斜撐進行固定,斜撐選擇鋼材等級Q235 的帶有旋轉桿的鋼管,直徑108mm,壁厚4mm,長度7.8m,重量96kg。斜撐通過連接件與預制隔墻及底板進行連接,連接件使用M24螺栓進行固定。如圖3所示。

圖3 斜撐及連接件示意圖

3 預制拼裝試驗

為驗證預制拼裝施工方案的可實施性,施工效率以及安裝過程中的質量控制標準,根據設計圖紙分幅情況,最大化模擬實際工況,選擇直線段三塊連續的YZQ-4構件進行試拼裝。

3.1 試驗方案

本次試拼裝共采用3塊預制墻板,分別為一號塊、二號塊和三號塊。

3.2 試驗過程

試拼裝在構件堆場的試拼裝區域內進行,并按照試驗方案進行,拼裝流程如下:

測量放線→鉆孔鋼筋布設→防置鋼墊塊調整標高→限位架安裝→預制隔墻吊裝→斜撐安裝→豎向拼縫澆筑→試拼裝完成

3.3 檢測數據分析

為掌握斜撐支撐的受力情況,在三塊預制墻板上的共計6個斜桿支撐進行受力的實時檢測。

每個支撐上安裝一個表面應變計,作為支撐軸力自動化監測,觀測軸力的變化情況,分析不同垂直度時的受力情況,一共6個表面應變計。如圖4所示。從左往右分別對應一號塊、二號塊和三號塊預制墻,對應的測點編號是JC1-4、JC1-5和JC1-6。

圖4 斜撐受力監測示意圖

試拼裝過程中,JC1-4～JC1-6斜撐應變情況如圖5所示。

圖5 斜撐應變圖(單位:με)

由上圖可以看出,JC1-4和JC1-5墻體斜撐的應變值均在約-50～50微應變之間變化,應變值較小,而JC1-6墻體的斜撐應變值變化較大,最大應變為130 微應變,最小為-126微應變。對比同一墻體的兩根斜撐,可以發現兩根斜撐之間存在受力不均勻,但差別較小。

以JC1-6墻體斜撐,進行強度驗算,斜撐選用整根軋制的Φ1004 鋼管,鋼材等級235,屈服強度f =235/,抗壓及抗拉強度設計值215/。

斜撐應力均遠小于材料的設計強度。

以JC1-6墻體斜撐,進行壓桿穩定性驗算:

斜撐截面慣性矩為:

斜撐長細比為:

根據《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)附錄D,穩定系數0165。

滿足穩定性驗算條件。

3.4 檢測數據分試驗結果

本次拼裝試驗非常成功,單塊隔墻拼裝用時為50分鐘,完全符合預期工效。

監測數據顯示預制隔墻斜撐受力均衡穩定,符合施工的安全需求。

結論

本文結合竹園污水處理廠四期工程1.3標的裝配式結構施工,對水務工程污水處理構筑物中的大體積、大噸位預制構件施工進行理論計算和實測分析,針對連接節點優化和預制構件安裝措施進行研究分析,并通過足尺試拼裝的順利完成,得到以下主要結論:

(1)大噸位裝配式結構施工是可行的,并且單塊隔墻的拼裝用時為50分鐘,能夠滿足功效要求。

(2)監測數據顯示預制隔墻斜撐受力均衡穩定,符合施工的安全需求。為預制拼裝的順利進行,提供了重要的技術支撐。

(3)根據目前的應用部位和實踐效果來看,裝配式結構在水務工程水處理構筑物中的應用是完全可行的,尤其在應用了UHPC超高性能混凝土的情況下,讓關鍵連接節點的強度更好、質量更高、施工更為便捷。