新型地下污水處理廠的預制裝配式結構體系

龍莉波 馬躍強 郭延義 富秋實 鄭金玉

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 上海 200080

地下污水處理廠可以合理利用地下空間，節約土地資源，無臭氣、噪聲污染，對地面景觀影響較小乃至起促進作用等優點逐漸展現，越來越多的污水處理廠傾向于地下式建設模式。地下式污水處理廠在國外具有悠久的發展歷史，在我國目前處于起步階段，具有良好的發展空間[1-2]。

目前，國內外正在建設或已經建成的地下污水處理廠基本采用傳統的現澆形式，施工現場需要進行大量的鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工作，施工質量難以控制，同時造成建筑垃圾、環境污染等問題[3]。并且地下工程往往涉及深基坑，其施工對周圍環境影響非常大，尤其是降水、變形等對周圍地面沉降的影響極為嚴重，因此縮短施工周期對控制周邊環境改變有重要意義。而預制裝配式施工可以大大縮短工期，在地下空間進行預制裝配式施工不僅節約勞動力，還具備減小影響周邊環境的效果，因而預制裝配式技術在地下工程中迎來了新的發展機遇[4-5]。

地下污水處理廠往往由于預制墻體過高，預制構件質量過大，對現有吊裝技術要求較高，施工難度較大，施工效率低下，施工質量也無法保證；并且當采用大跨度的預制屋面板時，同樣存在相同問題，全地下式污水處理廠建筑構造及維護空間均設置在地下，上部要行駛重型車輛，普通疊合板難以滿足承載力要求。

目前我國地下結構的預制裝配化進程還處于起步階段，地下污水處理廠項目在應用現有的預制裝配結構體系時，存在預制構件吊裝難，結構性能無法保證，無法兼顧施工難度與施工效率等問題，亟需研發適用于地下污水處理廠的新型裝配式結構體系以解決上述問題。

1 工程概況

竹園污水處理廠四期工程（圖1）位于上海浦東高東鎮，用地南至華東路、東至洲海路、西至規劃高東新路、北至外高橋船廠。本工程除AAO生物反應池缺氧池區域采用裝配整體式結構，其余構筑物均采用現澆框架結構。預制裝配式區域長47.7 m，寬51 m，面積約2 400 m2。預制范圍包括墻、梁、板、觀察窗及電纜溝等結構。

圖1 竹園污水處理廠

如圖2所示，預制墻體高度達到了9.1 m，墻厚度為0.5 m，若按1.5 m分幅來計算，每片預制墻體的質量達到了17 t，存在如下問題：

圖2 結構剖面示意

1）預制構件吊裝難度大，最大預制隔墻質量達17 t，預制構件與基坑邊最大距離達75 m，機械選型困難，預埋件數量多，施工定位精度要求高。

2）預制構件運輸及堆放難度大，周邊交通復雜，預制構件運輸及堆放難度大。

3）施工安全隱患大，預制構件質量過大，起吊機械半徑幅度過大，且對地基承載力要求高。

4）樓面跨度達到了8 m，并且結構頂部需要行駛重型車輛，普通疊合板很難滿足承載力要求。

針對本工程預制裝配式整體結構，以構件質量輕量化、節點形式簡單化、施工便捷化考慮，研發了適用于地下污水處理廠的新型結構體系以解決上述問題。

2 新型地下裝配式結構體系研發

基于超高性能混凝土連接的地下裝配式結構體系由鋼板桁架雙面疊合剪力墻結合大跨度倒T疊合板而成。

2.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻

目前，預制鋼板桁架雙面疊合剪力墻的連接方式主要是通過空腔內插筋，然后向空腔內澆筑混凝土，將上下墻體連接成整體，預制構件的精度和灌漿的施工質量要求較高，不便于質量檢測，并且上下墻體由于采用鋼筋間接搭接的形式，連接可靠性仍未得到保證。

如圖3、圖4所示，鋼板桁架雙面疊合剪力墻利用底部外伸墻肢鋼筋進行自承重，將鋼板桁架雙面疊合剪力墻體懸空，預留施工操作空間，上下鋼筋可采用超高性能混凝土（UHPC）短搭接澆筑或鋼筋綁扎普通混凝土澆筑的手段進行直接搭接，鋼板桁架雙面疊合剪力墻之間采用密拼形式拼裝，克服了傳統豎向構件連接效率低、不便于檢測等問題，具有連接形式簡單，節約人力，搭接可靠，使預制裝配式剪力墻結構具有較好的抗震能力和快速施工的便利性。

圖3 鋼板桁架雙面疊合剪力墻

圖4 鋼板桁架雙面疊合剪力墻水平連接示意

2.2 高效大跨倒雙T疊合板

傳統薄板疊合板的預制薄板太薄，預制、運輸和吊裝都比較困難，且在施工安裝過程中需設置臨時支撐，極大地限制了疊合結構的推廣使用。為了克服這種缺陷，故采用了預應力倒T形疊合板代替疊合薄板，并且取消了次梁。

預應力倒T形疊合板肋部厚度已達到疊合板的最終設計厚度，在施工過程中不需要安裝任何支撐，疊合面位于倒T形疊合板的翼緣部分。利用高強度鋼筋和高強混凝土形成高效預應力混凝土疊合板樓蓋，由工廠化制作成倒T形預應力疊合式構件，運至工程現場安裝，與現澆混凝土疊合成新型裝配整體式樓蓋結構。

3 有限元計算分析

3.1 有限元模型建立

本節利用Abaqus有限元分析軟件對單片鋼板桁架雙面疊合剪力墻進行承載力驗算以及對整體結構體系進行施工全過程有限元分析，混凝土強度等級C30，鋼筋型號為HRB400，混凝土采用損傷本構模型，鋼筋選用理想彈塑性本構模型。

HPB400鋼筋的彈性模量及泊松比按GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015年版）中規定的設計值選取。

3.1.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻有限元分析

預制鋼板桁架雙面疊合剪力墻向內空腔澆筑混凝土會造成兩側剪力墻受到側向擠壓力，在Abaqus軟件中使用殼單元（S4R）模擬雙面剪力墻，使用桁架單元（T3D2）模擬鋼筋，殼單元網格尺寸為100 mm，桁架單元網格尺寸為50 mm，在剪力墻底部施加固端約束，2片剪力墻內側分別施加側向的三角形荷載模擬混凝土的側向擠壓力。

3.1.2 新型地下裝配式結構體系有限元模擬

為了深入研究新型裝配式結構體系的受力性能，建立整體結構的有限元模型，為了節省計算成本，選取2跨進行模擬，中間墻體為鋼板桁架雙面疊合剪力墻，兩側墻體為現澆混凝土結構。

新型地下裝配式結構體系中混凝土均采用C3D8R實體單元，鋼筋采用T3D2桁架單元并嵌入混凝土中，實體單元網格尺寸為100 mm，桁架單元網格尺寸為50 mm，忽略鋼筋與混凝土二者之間的黏結滑移，考慮重力荷載和上部行車荷載，墻體下部施加固定端約束，樓面施加豎直向下的均布荷載。利用Abaqus的“生死單元技術”來模擬各個施工階段。整體結構有限元模型如圖5所示。

圖5 整體結構有限元模型

施工過程分為4個階段：第1階段首先將3片墻體施工完成；第2階段將PCB板吊裝完成；第3階段在PCB板上部鋪滿鋼筋并澆入混凝土面層；第4階段為正常使用階段，在樓面施加55 kN/m2行車荷載。

3.2 有限元計算結果分析

3.2.1 鋼板桁架雙面疊合剪力墻有限元結果分析

根據有限元分析結果，剪力墻在新澆混凝土側向擠壓力作用下的最大彎矩為4.6 kN·m，最大剪力60 kN。單片剪力墻的最大側向位移為0.3 mm。

根據《混凝土結構設計規范》11.7節的規定，剪力墻的最大剪力承載力和最大彎矩承載力均要滿足規范要求。

3.2.2 新型地下裝配式結構體系施工全過程有限元分析

第1階段結束時，2片墻體已完工，墻體在自身重力作用下豎向最大位移為0.08 mm。第2階段PCB板吊裝完畢后，PCB板受自身重力荷載作用，跨中最大位移為0.89 mm。第3階段樓面在自重與荷載作用下最大位移為1.34 mm。第4階段樓面在自重與行車荷載共同作用下跨中最大豎向位移為9.6 mm。

經驗算，PCB板的鋼筋最大應力為193.6 MPa，遠小于鋼筋的屈服應力360 MPa，鋼筋處于彈性階段。PCB板混凝土受拉損傷主要集中在跨中下部，倒T梁部分混凝土未發生損傷?！痘炷两Y構設計規范》3.4.3節規定，跨度在7～9 m的樓板，撓度限值為跨度的1/300，本結構中板的跨度為8 000 mm，撓度限值為8 000/300＝26.6 mm＞9.6 mm滿足規范要求。

4 結語

為應對日益稀缺的城市土地資源及滿足不斷提高的環保需求，污水處理廠建設開始尋求向下發展，開發利用地下空間。本文針對地下污水處理廠墻體高度過高，屋面板跨度過大特點，以構件質量輕量化、節點形式簡單化、施工便捷化考慮，研發了適用于地下污水處理廠的新型裝配式結構體系。

1）采用有限元軟件建立了地下污水處理廠模型，驗證了該結構體系強度和剛度能夠滿足規范要求。

2）基于超高性能混凝土連接的鋼板桁架雙面疊合剪力墻＋倒T板，解決現有的大跨度項目中因預制構件尺寸過大，質量過大，吊裝困難且無法兼顧施工難度與施工效率的問題。

最終形成1套施工環境較好、施工難度較低、施工效率較高的基于超高性能混凝土連接倒T板結合鋼板桁架雙面疊合剪力墻工業化建筑結構體系，促進了地下工程的工業化發展。