考慮變形協(xié)調影響的南通市某污水廠生化池設計

王 印 陳令才 崔 云

（1.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210001；2.中機國際工程設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210023）

0 前言

在給排水工程構筑物結構設計過程中，設計人員往往更重視對承受水土壓力的壁板內力分析，而對不承受水壓力的導流墻和因檢修而設置的局部水平梁板等相對次要構件重視不足。規(guī)范[1]和《給水排水工程結構設計手冊》[2]對敞口水池、有蓋水池壁板簡化算法都有規(guī)定，但對頂板有局部水平梁拉結的情況則沒有說明。由于適用于給排水構筑物的有限元設計軟件不夠普及，設計人員常常采用簡化的單構件設計方法，對構件之間的變形協(xié)調、內力傳遞也缺少準確的分析。生化池尺寸較大、導流墻設置較多并且頂部會因為檢修或推流器安裝而設置局部水平梁板，這類水池在水壓力的作用下變形較大，各構件連接節(jié)點變形也更大，當采用簡化的設計方法時，由于計算誤差較大，因此可能存在一定的安全隱患。

在南通市某污水處理廠生化池的設計中，筆者采用midas Gen 有限元分析軟件整體建模，著重對導流墻、局部水平梁進行分析，總結了這類構筑物設計時設計人員需要重點注意幾個問題，以供廣大設計人員參考。

1 方案設計

該工程新建2.5 萬m3/d 生化反應池，采用AO+MBBR工藝，鋼筋混凝土結構，一座2 組。單組水池長64.2m，寬42.4m，壁板高7m，設計水深6.8m，為地上敞口式水池。水池長方向設兩道伸縮縫將水池分為三個區(qū)格，作為三個獨立的結構單元，短方向設一道后澆帶。外壁板采用變截面，底部厚700mm，頂部厚400mm；內部導流墻采用等截面，壁厚300mm，混凝土強度等級為C35，單組生化池結構布置如圖1 所示。

圖1 單組生化池結構示意圖（單位：mm）

該文選取具有代表性的區(qū)格一采用midas Gen 進行計算，梁采用梁單元，其余壁板及底板采用板單元，其中外壁板按變截面建模，板分割尺寸為0.5 m。當梁單元與板單元平面內連接時，連接處采用設置輔助剛性梁單元的方法模擬梁端轉角約束。約束水池四角底部節(jié)點的水平方向位移，采用面彈性支承模擬底板下土體作用。

該文列舉的內力值除注明外，均為試水工況基本組合（1.3GK+1.3FWK）下的計算結果，板單元內力值為單元中心值，區(qū)格一模型如圖2 所示，節(jié)點二處梁截面尺寸為300mm×400mm，節(jié)點三處梁截面尺寸為300mm×600mm。

圖2 生化池模型示意圖

2 結構計算要點

2.1 導流墻對外壁板的支座作用

由于生化池內部導流墻通常設洞口連通，因此盛水工況比較簡單，一般僅外壁板承受水壓力。設計人員往往將外壁板按擋水墻結構設計，壁板按豎向懸臂結構計算并配置鋼筋，水平方向在外壁板相交處按規(guī)范[1]對角隅區(qū)計算內力并配置局部支座負筋，中部則按分布鋼筋構造配置。內部導流墻不承受面外水壓力，截面尺寸一般較小，僅按構造要求對其配筋，而忽略其對外壁板的支承作用。通過有限元計算可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點一處導流墻截面尺寸雖然較小，但是導流墻與外壁板垂直相交，導流墻平面內剛度很大，能夠提供較大的拉力，此時，導流墻對外壁板有明顯的支承作用。節(jié)點處外壁板支座負彎矩達到187 kN·m/m，該值已經接近按水池規(guī)范角隅區(qū)彎矩公式計算值。此處，外壁板內側必須增加水平鋼筋以滿足承載力及裂縫控制要求。導流墻處壁板在水壓力作用下變形及水平彎矩分布如圖3 所示。

筆者對該例中的節(jié)點三處外壁板進行試算，對類似生化池外壁板這種長度與高度之比較大的豎向單向板，導流墻的位置與壁板支座負彎矩值呈一定規(guī)律變化：當導流墻靠近外壁板端支座時，支座彎矩Mxx值最小。越靠近跨中則支座彎矩越大，但彎矩增量趨緩，跨中處達到最大。計算結果如圖4 所示，圖中Lx為導流墻距離端支座距離，L0為外壁板水平長度。

圖4 導流墻位置引起的支座彎矩變化

2.2 池頂水平梁對外壁板的支座作用

梁作為受彎構件，其對受力壁板的面外支座作用也容易被忽視，文獻[4]指出拉梁對壁板的約束作用不可忽視，而且常規(guī)的簡化算法不能計算這種支座作用引起的內力。對節(jié)點二、節(jié)點三進行計算可知，梁和受力壁板變形協(xié)調，對壁板有明顯的拉結作用。水平梁雖然僅拉結在壁板頂部，但是水平彎矩從頂部到底部均表現(xiàn)為局部負彎矩。對節(jié)點二來說，由于梁位于導流墻平面內，抗側剛度較大，對外壁板支座的作用更明顯，表現(xiàn)為局部負彎矩值更大；對節(jié)點三來說，由于梁與導流墻正交，抗側剛度較小，因此對外壁板支座的作用相對較弱。計算結果如圖5、圖6 所示。

圖5 節(jié)點二處外壁板變形及水平彎矩

圖6 節(jié)點三處壁板變形及外壁板水平彎矩

值得注意的是，節(jié)點三導流墻由于變形協(xié)調也出現(xiàn)局部彎矩，在該例中由于水平梁作用于兩道導流墻，導流墻內力較小（如圖7 所示，最大值為57 kN·m/m），按構造配筋已不能滿足裂縫控制的要求。對水平梁僅作用于一道導流墻的情況來說，導流墻局部必然需要配置更多的鋼筋。

圖7 節(jié)點三處導流墻彎矩

2.3 池頂水平梁的設計

由2.2 節(jié)分析可知，池頂水平梁與外壁板在水壓力作用下變形協(xié)調，在外壁板內引起局部負彎矩，在梁內則引起較大的軸力及彎矩。內水壓力作用標準組合（1.0FWK）下計算結果如圖8、圖9 所示。節(jié)點二和節(jié)點三處梁內力有明顯差別，經過分析可知這種桿件內力隨抗側剛度的變化具有一定的規(guī)律性。

圖8 節(jié)點二處水平梁在水壓力作用下彎矩及軸力

圖9 節(jié)點三處水平梁在水壓力作用下彎矩及軸力（雙跨梁）

軸力方面，節(jié)點二水平梁與導流墻面內連接，抗側剛度較大，水平位移很小，引起的梁內軸力值更大，達到427.5kN；而節(jié)點三水平梁與導流墻面外連接，抗側剛度較小，水平位移較大，梁內軸力得到一定釋放，軸力值為101.9kN。

彎矩方面，由變形協(xié)調作用引起的彎矩由支座轉角θ和支座豎向位移Δ 兩方面組成，該例中由水壓力引起的豎向位移在節(jié)點二和節(jié)點三處沒有明顯的差別，因此主要考慮支座轉角的影響。根據(jù)《建筑結構靜力計算實用手冊》[3]可知，當兩端固定單跨梁支座轉角為θ時，梁端彎矩為彎矩與梁線剛度及支座轉角成正比。雖然該公式不能直接用于該工程的梁端彎矩計算，但是可以幫助理解梁端彎矩的相對大小及方向。

節(jié)點二處的水平位移很小，節(jié)點轉角主要是由壁板撓曲變形引起的。節(jié)點三的水平位移較大，引起的節(jié)點轉角明顯大于節(jié)點二，表現(xiàn)為梁支座彎矩值更大，最大值為57 kN·m。這個規(guī)律可以通過刪除節(jié)點三處一跨梁得到進一步驗證（如圖10 所示）。此時節(jié)點三處抗側剛度顯然比連接兩道導流墻時更小，通過表1 對計算結果的匯總可以更直觀地看出這種規(guī)律。

圖10 節(jié)點三處水平梁在水壓力作用下彎矩及軸力（單跨梁）

表1 不同抗側剛度引起梁軸力及彎矩

另外，值得注意的是節(jié)點二和節(jié)點三梁與外壁板交接處梁端彎矩方向相反，這個差別可以對比節(jié)點處變形得到解釋：節(jié)點二處由于節(jié)點水平位移很小，壁板局部豎向變形類似于兩端固結梁，節(jié)點轉角方向θ與水壓力作用方向一致，支座處池內一側受拉；節(jié)點三處由于節(jié)點水平位移較大，壁板及水平梁變形類似于承受水平荷載的側移框架，節(jié)點轉角方向θ與水壓力作用方向相反，節(jié)點處外壁板池外一側受拉。

通過這節(jié)分析可知，這部分內力值在梁截面設計時不可忽略，甚至起到主導作用。因此，池頂水平梁不能根據(jù)跨度及豎向荷載進行設計，否則可能存在較大的安全隱患。

水平梁與受力壁板變形協(xié)調引起的內力有時會讓壁板及梁配筋困難。鑒于這種情況，筆者在該項目中采取措施對梁端約束進行釋放，即在外壁板與梁相交處設牛腿，使外壁板僅承受梁端豎向力，那么可以簡化壁板及梁內力計算，節(jié)點設計如圖11 所示。需要注意的是牛腿須設計足夠的梁支承寬度，以免水壓力和地震力作用下壁板變形造成梁端滑移脫落。

圖11 壁板設牛腿釋放梁端約束（單位：mm）

2.4 伸縮縫位置的選取

該工程生化池長64.2 m，沿長方向設兩道伸縮縫。伸縮縫的位置應選擇在溫度應力最大的地方，一般將池體等分。經過前面的分析可知，導流墻、池頂水平梁均對外壁板變形具有一定的約束作用，伸縮縫距離這類約束距離越近，變形越小。因此，選取伸縮縫位置時也應考慮伸縮縫距離兩側這類約束構件的距離，使伸縮縫處兩邊壁板變形值盡可能地接近，以免變形差過大造成橡膠止水帶破壞或影響橡膠止水帶耐久性而發(fā)生漏水事故。

3 結論

通過計算及結果對比可以得到以下4 個結論：1）導流墻對承受水壓力的外壁板具有明顯的支座作用，支座負彎矩值控制外壁板配筋；彎矩值大小隨導流墻的位置變化，當導流墻位于外壁板跨中時，彎矩值達到最大。2）池頂局部水平梁對承受水壓力的外壁板也具有支座作用。由于抗側剛度差異，因此導流墻支座作用最明顯，其次為與導流墻平面內連接的梁。這個支座作用影響外壁板內力分布及配筋。對梁與導流墻平面外連接的情況，也可能會影響導流墻的配筋。3）對水平梁與受力壁板變形協(xié)調引起的梁內力，隨連接處抗側剛度的變化具有一定的規(guī)律性且應注意彎矩方向。這部分內力在梁截面設計時不可忽略，否則可能存在較大的安全隱患。在工程中也可對連接節(jié)點進行優(yōu)化設計釋放梁端約束，以簡化壁板及梁內力計算。4）在選取伸縮縫位置時，也應考慮導流墻及水平梁對外壁板變形的約束作用，使變形縫處兩側壁板變形值盡可能地接近，以免變形差過大造成伸縮縫漏水事故。