二沉池结构设计与探讨

摘要 本文简要介绍了中国石油广西石化1000万吨/年炼油工程污水处理场二沉池采用两种结构形式的设计，池底板采用普通钢筋混凝土结构，池壁采用预应力钢筋混凝土结构，并取得了良好的经济技术指标。为二沉池的设计提供参考和借鉴。

关键词 二沉池 圆形底板 有限元分析 无粘结预应力 预应力损失

1 引言

随着我国经济的快速发展和人们生活水平的提高，生产和生活用水量在不断增加，污水处理量也在大幅提高， 从而污水处理场二沉池的容积也越来越大。

二沉池即为二次沉淀池，是污水处理系统的重要组成部分，其作用主要是使污泥分离，使混合液澄清、浓缩和回流活性污泥。一般为圆形敞口水池，池壁高度不大，直径较大。在结构设计时，池壁竖向计算模型往往采用底端铰接，上端悬臂来计算，一般采用普通钢筋混凝土结构即可满足强度、抗裂度要求。水平计算模型按整体圆环进行计算，因水池直径较大，池壁在水压力作用下会产生很大的环向拉应力，若采用普通钢筋混凝土结构很难满足水池的强度、抗裂度要求。通过大量的工程实践，池壁采用无粘结预应力结构能够有效地解决这一问题。

2 工程概况

中国石油广西石化1000万吨/年炼油工程污水处理场内建有两座二沉池， 圆形敞口，直径为38.80m ， 池壁高度4.80m，埋深为0.90m ，池内正常设计水深4.50m。本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，第一组。二沉池底板厚度400mm，外挑长度500mm，采用普通钢筋混凝土结构，C35混凝土浇筑。池壁厚度300mm，采用无粘结预应力钢筋混凝土结构，C40混凝土浇筑。沿池壁外侧均布设置6个锚固肋，突出池壁外侧300mm，长度1.65m。抗浮设计地下水位为其所在位置地面下1.20m。场地通过强夯处理，其处理后的地基承载力特征值fak≥250kPa，压缩模量Es ≥20Mpa。

3 水池圆形底板设计

3.1 设计方法

对圆形水池底板的内力计算方法主要有查表计算法、简化模型按弹性地基梁法计算、解析法以及有限元分析法等。《给水排水工程结构设计手册》中弹性地基上圆板的计算， 可根据具体情况把底板简化成为弹性地基上周边自由的圆板或周边定向约束的圆板在均布力、边缘力、边缘力矩几种简单的荷载作用下的结构内力计算。

3.2 计算模型的建立

二沉池由圆柱壳和向中心倾斜的底板组成。根据工艺要求， 中心设置中心筒，在底板中心处形成了一个加劲环。圆柱壳由于受力明确，计算方法较为成熟，但水池底板的设计则较为复杂。将池壁与底板设计为柔性连接， 在计算底板内力时就可以直接将底板简化成为周边铰接的圆形板。通过文克尔地基上的板壳元计算模型，经有限元整体计算池底板在各种荷载作用下的内力。在简化模型时考虑圆形水池的轴对称形式， 截取底板的四分之一进行计算， 以减少计算时所占的空间， 在截取的边界上用边界元进行约束， 底板的周边为铰结约束， 中心处将中心筒的作用简化为施以转动约束的垂直向集中力的作用。

3.3 内力计算

文克尔地基上的板壳有限元分析，是以水池与地基同工作为前提，来确定地基反力的分布，可较精确地求出水池结构的内力。

假定地基每单位面积上所受的压力与相应的地基沉降量成正比，即将地基的作用模拟为一系列的弹簧， 弹簧的刚度根据地基的基床系数确定。

这种计算得到的结果相对比较准确，如果底板所受的浮力大于地基反力时， 弹簧就会对底板产生拉力， 而实际上这种拉力是不存在的，因为当底板向上拱起时， 拱起部位就脱离了地基对它的作用，此时底板要产生内力重分布。为此需要定义弹簧受压时位移为负， 受拉时位移为零。

3.4 内力分析

（1） 地基反力的分布除与底板刚度、荷载大小及荷载分布有关外，还与土的类别和变形特性，以及基础埋深和基础形状等多种因素有关。

（2） 池壁与底板为柔性连接，但在池内水作用下，池壁与底板连接点会发生转动，转动方向与侧向水压力的方向一致，故池壁内侧根部的竖向弯矩有所减小，上部环拉力则相应增大。

（3） 底板的外挑长度、基土类别及池外覆土深度对底板边缘处的地基反力及池壁外侧根部的竖向弯矩影响较大，底板的外挑长度增大，则底板边缘处的地基反力减小，而池壁外侧根部的竖向弯矩增大。

（4） 底板受中心筒处加劲环的影响，中心筒处底板的径向、环向弯矩不能简化为一般的圆形平板来进行内力计算。结构设计时，必须考虑加劲环刚度变化而引起的内力变化，否则，计算误差较大。

4 池壁结构设计

4.1 结构方案选择

预应力的工艺方法有机械绕丝法和无粘结预应力法，因二者施工工艺和锚具系统不同，各有其自身的特点，为了使本设计更具有安全性、经济性，选择无粘结预应力方法。根据以往工程实践，选择低松弛无粘结钢绞线效果比较好，张拉锚固容易控制。因低松弛钢绞线的钢丝是经过多次冷拔后并经消除应力热处理，其弹性极限和屈服强度都得到提高，而且应力松弛率大为降低，有利于提高混凝土的抗裂度和减少预应力筋的用量。

4.2 结构计算

根据《给水排水工程结构设计手册》（中国建筑工业出版社2007.01）及《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ92-2004规定，张拉控制应力取σcon=0.65fptk。

4.2.1 预应力损失计算

有关预应力损失的计算均参照《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ92-2004。

（1） 张拉端锚具变形和无粘结预应力筋内缩引起的预应力损失，因池壁上下两排环向预应力筋锚固位置交错布置，采用千斤顶张拉，该项损失按降低50%采用，计算参照第5.1.4条。

（2） 无粘结预应力筋的摩擦损失，该项损失与摩擦系数成正比，按降低50%采用。计算参照第5.1.6条。

（3） 无粘结预应力筋的应力松弛损失，该项损失取决于钢筋的种类及松弛等级，本工程采用超张拉程序进行张拉，以减少无粘结预应力筋的应松弛损失。计算参照第5.1.7条。

（4） 混凝土收缩徐变引起的预应力损失，该项损失按降低50%考虑，计算参照第5.1.8条。

（5） 因无粘结预应力筋采用分批张拉时，其张拉后批无粘结预应力筋会产生混凝土弹性压缩影响先批张拉预应力筋的预应力损失降低。要求后批张拉预应力筋张拉完毕后，再对先张拉的预应力筋进行补张拉，且获得良好的效果，参照第5.1.9条。

4.2.2 内力计算

池壁内力需要按施工阶段池内无水，池外无土；试水阶段池内有水，池外无土；使用阶段池内有水，池外有土；检修阶段池内无水，池外有土4种荷载的组合进行计算。根据《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ92-2004的规定，以抗裂度要求控制的配筋，在各种不利荷载组合作用下，水池池壁各计算截面在施工和使用阶段均要求不得出现裂缝。

4.2.3 构造设计

（1） 锚固肋的设置及配筋

为了便于无粘结钢绞线的分段张拉和锚固，沿圆形池壁周围必须设置锚固肋。锚固肋的设置应根据圆形水池直径的大小，每段预应力筋的长度来确定数量和位置，预应力筋长度超过50m时，宜采取分段张拉和锚固，一般圆形水池的锚固肋至少设置4个。锚固肋肋宽应满足锚具、锚垫板尺寸以及张拉设备的要求，且不小于200mm，肋长以1.50～2.00mm为宜。

锚固肋处配筋需要加强，特别是锚固区域，承受局部压力要进行核算。锚垫板部位承受局部压力较大，需要配置足够的钢筋网片。

（2） 池壁与底板的连接

为了消除池壁竖向弯矩对水池底板的影响，池壁与底板之间采用杯槽式柔性连接。即底板周边浇筑成槽口，槽口外壁混凝土待池壁预应力筋张拉后进行浇筑。槽口内侧采用油麻沥青嵌缝，再采用细石混凝土浇筑密实。

（3）预应力筋的布置

预应力筋的最大间距不应大于1.00m，最小净间距不宜小于50mm。遇洞口不能直接通过时，应加长无粘结筋长度，用V型钢筋架立绕过洞口，在张拉时先张拉绕行通过的无粘结筋，后张拉未绕行的无粘结筋。

5 结论

（1） 水池底板的内力分析由于受地基土类别、水池底板刚度、上部结构及荷载分布等各种因素的影响，很难精确计算，不同的计算方法其结果也不尽相同，应采用最接近于实际情况的计算方法。

（2）池壁采用无粘结预应力结构，能够很好解决水池池壁在环向较大拉应力作用下强度、抗裂度要求，与普通钢筋混凝土相比，具有良好的经济效益。预应力筋选择低松弛无粘结钢绞线，有利于提高混凝土的抗裂刚度和减少预应力筋的用量，提高水池的抗震性能。

二沉池因其结构特殊，受力复杂，应力计算一般采用手算和图表计算，工作量较大。所以如何建立一个恰当的模型，采用合理简化的计算方法是非常重要的，需要各位同仁进一步研究和探索。

6 参考文献

[1] 《给水排水工程构筑物结构设计规范》 GB50069-2002

[2] 《给水排水工程结构设计手册》 中国建筑工业出版社2007.01

[3] 《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》 CECS 138：2002

[4] 《无粘结预应力混凝土结构技术规程》 JGJ92-2004