預應力技術在市政污水廠水池結構設計中的運用分析

摘要：近年來，新建市政污水廠工程不斷增多，預應力技術的應用也變得愈加廣泛。基于此，深入探討了預應力技術在市政污水廠水池結構設計中的運用。闡述了預應力技術的定義、分類和優點，接著分析了市政污水廠水池的類型、結構形式和荷載特點。提出了預應力技術在水池結構設計中的應用，包括設計原則、結構計算、構造設計和施工工藝。在設計中，需要合理選擇預應力筋，控制預應力損失，嚴格把控施工質量。在使用過程中，要加強監測與維護。預應力技術可以提高水池承載能力、剛度和抗裂性能，節省材料、降低造價、延長壽命，具有重要應用價值。

關鍵詞：預應力技術""市政污水廠""水池結構""預應力筋

Application"Analysis"of"Prestressing"Technology"in"the"Structural"Design"of"Municipal"Sewage"Plant"Water"Tanks

HUANG""Pengfei"""HUANG"Qianwen

Central"and"Southern"China"Municipal"Engineering"Design"and"Research"Institute"Co.，"Ltd.，"Wuhan，"Hubei"Province，"430010"China

Abstract："In"recent"years，"the"number"of"new"municipal"sewage"treatment"plant"projects"has"been"increasing，"and"the"application"of"prestressing"technology"has"become"increasingly"widespread."Based"on"this，"this"article"deeply"explores"the"application"of"prestressing"technology"in"the"structural"design"of"municipal"sewage"plant"water"tanks."It"elaborates"on"the"definition，"classification，"and"advantages"of"prestressing"technology，"and"then"analyzes"the"types，"structural"forms，"and"load"characteristics"of"municipal"sewage"plant"water"tanks."The"application"of"prestressing"technology"in"thenbsp;design"of"water"tank"structures"has"been"proposed，"including"design"principles，"structural"calculations，"structural"design，"and"construction"techniques."In"the"design，"it"is"necessary"to"select"prestressed"reinforcement"reasonably，"control"prestress"loss，"and"strictly"control"construction"quality."During"use，"it"is"necessary"to"strengthen"monitoring"and"maintenance."Pre"stressing"technology"can"improve"the"bearing"capacity，"stiffness，"and"crack"resistance"of"water"tanks，"save"materials，"reduce"costs，"and"extend"service"life，"and"has"important"application"value.

Key"Words："Prestressing"technology;"Municipal"sewage"treatment"plant;"Tank"structure;"Prestressed"reinforcement

隨著城市化進程的不斷加快，市政污水廠的建設需求日益增長。水池作為市政污水廠的重要組成部分，其結構設計的合理性和安全性至關重要。預應力技術作為一種先進的結構加固技術，在市政污水廠水池結構設計中得到了越來越廣泛的應用。本文將詳細探討預應力技術在市政污水廠水池結構設計中的運用。

1"預應力技術相關闡述

1.1預應力技術的定義

預應力技術是指在結構承受荷載前，預先在結構內施加一定的壓力，旨在提升整體結構的承載性能、剛性、抗裂性。在結構施工中，設置預應力筋，通過張拉預應力筋的方式，讓結構在施工階段產生與外部荷載效應相反的作用力，從而減少結構變形、裂縫寬度[1]。

1.2預應力技術分類

1.2.1按照預應力筋的材料分類

（1）鋼絞線預應力。該材料具有柔韌性好、強度高等優勢，是目前使用最廣泛的預應力筋材料。（2）鋼絲預應力。該材料具有強度高的優勢，但柔性相對較差，主要應用于小型結構或預應力要求較低的工程項目。（3）非金屬預應力筋。主要包括玻璃纖維、碳纖維等材料，具有重量輕、耐腐蝕、技術先進等優勢，但材料造價高，因此目前應用較少。

1.2.2按照預應力施工方式分類

先張法：在混凝土澆筑前，將預應力筋張拉至設計應力值，之后再澆筑混凝土，待到混凝土強度達到指定標準后，將預應力筋放松，使混凝土產生預應力。后張法：在混凝土澆筑后，待到混凝土強度達到指定標準后，在結構上預留孔道穿入預應力筋，之后再進行張拉，并使用錨具將預應力筋固定在結構上。

1.3預應力技術優勢

預應力技術可以有效提升結構整體的承載性能、剛度，減少結構變形和裂縫寬度；較少資源投入量，使工程造價更低；提升結構的整體耐久性，延長結構的使用壽命；適用不同結構形式和荷載條件，通用性較強。

2市政污水廠水池結構特點

2.1水池類型

沉淀池：用于去除污水中的懸浮物，初步凈化污水。曝氣池：使用充氣裝置將空氣充入污水中，促進微生物生長代謝，從而將污水中的有機物去除。二沉池：負責將處理后污水與活性污泥分離，讓污泥濃縮、回流。調節池：用于調節污水的水質、水量，確保污水處理系統的穩定性。

2.2水池結構形式

鋼筋混凝土水池：該類型水池具有耐久性好、強度高等優勢，是當前市政污水廠水池最常用的結構形式[2]。預應力混凝土水池：在混凝土水池基礎上應用了預應力技術，進一步提升水池的承載性、抗裂性，適用于大型水池或高要求結構的水池。鋼結構水池：該類型水池具有施工效率高、重量輕等優勢，但需要投入更高成本，適用于臨時水池或小型水池。

2.3水池和荷載特點

靜水壓力：水池中的水會向底部、四周產生壓力，是水池設計中需要重點考慮的荷載。土壓力。水池周圍的土壤對水池壁產生壓力，土壤的性質、水池深度會影響土壓力大小。溫度應力。受到水池內水體溫度和外界環境溫度變化，在水池結構內會產生溫度應力。地震作用。在地震區，水池結構設計中，還要考慮地震作用。

3預應力技術在水池結構設計中的應用

3.1預應力水池設計原則

（1）滿足使用功能。預應力水池設計中必須要滿足污水處理標準和需求，要求水池的深度、容積、水流速度等參數達標。（2）確保結構安全可靠。預應力水池結構設計應確保剛度、強度、穩定性、抗裂性達標，保障水池在實際應用中足夠安全可靠。（3）考慮施工便捷性與可行性。在滿足水池使用功能、安全標準的基礎上，盡可能選擇簡單結構形式和施工工藝，從而降低施工難度與成本[3]。（4）經濟合理。在保障使用功能、安全的基礎上，盡可能減少材料浪費，控制工程造價。

3.2預應力水池的結構計算

3.2.1建立計算模型

結合水池結構形式、荷載特性，建立計算模型。使用有限元計算方法，水池整體結構劃分成多個單元，對單元節點位移、內力求解，得出水池結構整體特性。計算模型中，需要重點考慮預應力筋作用，將其作為一種特殊單元進行處理，仿真模擬施加預應力對水池結構產生預壓作用。

3.2.2荷載計算

（1）靜水壓力。假設水池深度為5"m，水密度為1"000"kg/m3，則靜水壓力為50"kPa。一般情況下，靜水壓力按照三角形分布或梯形分布計算。（2）土壓力。需要結合水池周圍土壤性質、水池埋深計算土壓力。假設土壤重度為18"kN/m3，水池埋深為3"m，土的內摩擦角為30°，則最終計算的土壓為36"kPa。一般情況下，土壓力按照朗肯土壓力理論或庫侖土壓力理論計算。（3）溫度應力。需要結合水池內水溫變化、外界溫度變化計算溫度應力。假設水體溫差為20"℃，混凝土膨脹系數為10×10-6/℃，則計算得出溫度應力為2"MPa。一般情況下，溫度應力按照線性膨脹理論計算[4]。（3）地震作用。需要結合地震設防烈度、場地條件計算。假設地震設防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類，則計算地震作用為15"kN/㎡。一般情況下，地震作用按照反應譜法活時程分析法計算。

3.2.3預應力計算

（1）預應力筋布置。結合水池結構形式和荷載特點，合理布置預應力筋。通常在水池底板、池壁上設置預應力筋，可以有效強化水池結構承載力、抗裂性。（2）預應力損失計算。在預應力筋張拉、使用期間，勢必會產生一定的預應力損失，主要包括錨具變形與鋼筋內縮損失、預應力筋與孔道壁摩擦損失、混凝土彈性壓縮損失、預應力筋松弛損失等。需要結合行業標準計算，并充分考慮預應力損失影響。例如：預應力損失為20%，則實際有效預應力為80%。（3）預應力筋張拉控制應力。預應力筋張拉控制力應結合水池結構形式、荷載特性計算。通常不宜設置過高的張拉控制力，否則可能會導致預應力筋斷裂或混凝土開裂。通常情況下，應將張拉控制應力控制在預應力筋極限強度的75%左右[5]。

3.3預應力水池構造設計

（1）混凝土強度等級。預應力水池所采用的混凝土強度通常不低于C30，從而保障水池結構整體的承載力、抗裂性。（2）鋼筋配置。設計中應重點考慮鋼筋配置的合理性，確保水池剛度、強度達標。（3）預應力筋錨固。預應力筋錨固作為預應力水池結構設計的重要一環，錨具選擇應綜合考慮預應力筋材料、直徑，同時確保錨具錨固性能的可靠性。（4）設置施工縫。預應力水池設計中應考慮設置施工縫，避免水池結構產生較大裂縫，確保施工質量。

3.4預應力水池的施工工藝

3.4.1先張法施工工藝

（1）制作臺座。結合預應力筋的長度、張拉力制作臺座。臺座為鋼筋混凝土結構，應具有足夠的剛度與強度。（2）鋪設預應力筋。將預應力筋鋪設在臺座上并固定。要求預應力筋鋪設位置足夠精準。（3）安裝模板。完成預應力筋鋪設工作后，安裝水池模板。確保模板的強度、剛度以及水池尺寸精度。（4）澆筑混凝土。完成模板安裝后，即可澆筑混凝土，應保持澆筑的連續性，以免產生施工縫。（5）預應力筋張拉。待到混凝土強度達到70%以上后即可張拉預應力筋。按照設計標準進行張拉，確保預應力筋張拉控制應力準確。（6）養護混凝土。完成張拉環節后進行養護工作。加強混凝土表面的保溫保濕工作，定期檢查保溫情況，保障混凝土的強度與耐久性。（7）放松預應力筋。達到混凝土強度達到100%后，放松預應力筋，讓混凝土產生預壓應力。預應力筋應緩慢放松，以免造成混凝土開裂[6]。

3.4.2后張法施工工藝

（1）預留孔道。澆筑前，做好孔道預留工作，嚴格按照設計標準設置孔道尺寸、位置，確保預應力筋能順利穿越。（2）穿束。待到混凝土強度達到70%以上后，向孔道中穿入預應力筋，確保預應力筋位置準確。（3）安裝錨具。完成穿束工作后安裝錨具，確保錨具安裝足夠牢靠。（4）預應力筋張拉。錨具安全完畢后張拉預應力筋，其間，要確保預應力筋的張拉控制力準確。（5）孔道壓漿。張拉工作結束后對孔道注漿，使用專業壓漿泵和材料，將孔道填滿水泥漿，確保密實度。（6）混凝土養護。完成壓漿工作后養護混凝土，做好保溫保濕工作。

4應用預應力技術的注意事項

4.1預應力筋選擇

預應力筋的材料和規格應根據水池結構形式、荷載特點、使用要求等多個方面合理選擇。所選的預應力筋質量必須滿足行業規范標準，預應力筋強度、柔韌性、耐久性必須達標，并且要做好抽檢工作。

4.2預應力損失控制

預應力筋張拉、使用期間，應采取有效的應對措施減少預應力損失量，如選擇低松弛預應力筋、減少預應力筋與孔道壁的摩擦系數等。

根據預應力損失計算結果，設計中考慮預應力損失的影響，適當提升預應力筋張拉控制力，確保水池結構施工期間具備足夠的預壓應力。

4.3監測與維護

水池施工期間應定期對水池結構進行監測，及時發現結構缺陷問題，并采取有效的修復措施。定期對預應力筋進行檢查、維護，確保預應力筋性能達標。

5結語

綜上所述，預應力技術作為一種先進的結構加固技術，在市政污水廠水池結構設計中具有重要的應用價值。通過合理運用預應力技術，可以提高水池的承載能力、剛度和抗裂性能，節省材料，降低工程造價，延長結構的使用壽命。在預應力水池的設計和施工過程中，應嚴格按照相關規范和標準進行，保證設計和施工質量。同時，應加強對水池結構的監測和維護，確保水池在使用過程中安全可靠。

參考文獻

[1]"劉振超.預應力技術在市政污水廠水池結構設計中應用研究[J].區域治理，2023（22）：190-192.

[2]"劉貴，左其剛.淺析預應力技術在污水處理廠水池結構設計中的應用[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2022（2）：35-39.

[3]"季晨龍.預應力技術在市政污水廠水池結構設計中應用研究[J].建材發展導向，2020（11）：78-80.

[4]"徐會，潘學良.預應力技術在市政污水廠水池結構設計中的應用[J].中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術，2021（9）：29-32.

[5]"何瑩瑩.L縣某PCB園區污水處理廠工程設計及運行效果研究[D].鎮江：江蘇大學，2023.

[6]"王新端.Y市排水管網模型建立及其應用研究[D].揚州：揚州大學，2023.