徐強(qiáng) 萬玉生
（中國市政工程華北設(shè)計研究院）

　　摘　要：本文根據(jù)某污水處理廠工程中的卵形消化池的工程實踐，簡要介紹了卵形消化池設(shè)計與施工過程。
　　關(guān)鍵詞：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力 卵形消化池

1　概況

　　隨著國家逐步重視環(huán)境保護(hù)工作和對污水處理工程的投入力度加大，污泥消化池作為部分污水處理工藝中的必不可少的構(gòu)筑物隨之出現(xiàn)大型化。卵形消化池適合于建立大容量（10000m³以上）的消化池，為了適應(yīng)設(shè)計市場的這種形勢，提高我院的設(shè)計競爭能力，設(shè)計卵形消化池是非常必要的。
　　在我院承擔(dān)設(shè)計的杭州四堡污水處理二期擴(kuò)建工程中，擬建立三座單池容量為10700m³的卵形消化池。另外，在我院承擔(dān)設(shè)計的濟(jì)寧污水處理廠工程中，擬建立單池容量為12000m³的卵形消化池，因而設(shè)計卵形消化池也是工程的需要。
　　在市政給水排水工程設(shè)計中，污泥消化池在國內(nèi)以往多采用柱形消化池，我院設(shè)計的某污水處理廠單池容量為6000m³柱形消化池，地面以上高度為25m，池體5／6位于地面以上，如圖1所示。

　　與圖1所示柱形消化池相比較，卵形消化池污泥攪拌沒有死角，保溫效果較好，池體受力性能較好，適合于建立大容量（10000 m³以上）的消化池（見表1），因而杭州市四堡污水處理廠擴(kuò)建工程中采用三個單池容量107000 m³的卵形消化池。
　　該卵形消化池地面以上高度為31m，地面以下高度位13.6m，采用鉆孔灌注樁樁基基礎(chǔ)，平均樁長45m。正常運(yùn)行時池內(nèi)最大水頭高度為42m，池內(nèi)氣壓為0.5KN／m²，池內(nèi)溫度保持在35℃左右，池內(nèi)氣體對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，池內(nèi)污泥具有弱腐蝕性。采用雙向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系，其壁上不設(shè)扶壁柱，如圖2所示，池體的剖面圖如圖3所示。

表1 卵形消化池與柱形消化池對比表

序號

內(nèi)容

柱形消化池

卵形消化池

1

外表

柱形，有環(huán)梁突出。

平滑過渡，較美觀。

2

容積

適合建造10000 m³以下

可以達(dá)15000 m³及以上

3

內(nèi)池壁

池內(nèi)壁有死角

池內(nèi)壁平滑，沒有死角

4

保溫

表面積較大，耗費(fèi)較多的保溫材料，保溫效果差。

表面積相對較小，保溫材料耗費(fèi)少，保溫效果好，更能滿足工藝要求。

5

占地面積

較大

較小

6

預(yù)應(yīng)力體系

環(huán)向采用預(yù)應(yīng)力

采用環(huán)向、豎向雙向預(yù)應(yīng)力體系

7

工程造價

較大

建造12000 m³以上的池體較柱形的要節(jié)省

　　

2　設(shè)計回顧

2.1設(shè)計要解決的主要問題
　　卵形消化池在國外早已普及，由于其在工藝、結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點，國內(nèi)早在九十年代初即有設(shè)計卵形消化池的設(shè)想，但至今建成的為數(shù)極少，可借鑒的經(jīng)驗不多，在我院設(shè)計尚屬首次。卵形消化池的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作遇到的新問題很多，存在的主要問題歸結(jié)為以下四點：
　?。?）無卵形池的力學(xué)計算模型及力學(xué)分析程序；
　?。?）沒有進(jìn)行卵形池的內(nèi)力分析；
　?。?）未進(jìn)行卵形池的預(yù)應(yīng)力工程設(shè)計；
　?。?）無卵形池的結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法。
2.2 實施一：針對卵形池的力學(xué)計算模型及力學(xué)分析程序
　　主要經(jīng)歷以下步驟：
　?。?）收集資料；
　?。?）計算機(jī)程序的選擇；
　?。?）程序的試算；
　?。?）計算模型建立。

　　我們建立起的卵形消化池的力學(xué)計算模型，把高達(dá)45 m的卵形消化池分為上部殼體部分和下部塊體部分，單元總數(shù)約8000個。程序計算誤差在10%以內(nèi)，結(jié)果令人滿意，圖4為所建立空間整體計算模型。
2.3 實施二：針對沒有進(jìn)行卵形池內(nèi)力分析
　　（1）單一荷載工況下的應(yīng)力和內(nèi)力分析計算（關(guān)鍵步驟）。
　　卵形消化池的單一荷載工況細(xì)分起來有12種之多，每一種荷載工況分析整理成右圖所示的結(jié)果，作為下一道計算的依據(jù)，每一個結(jié)果所需要處理的數(shù)據(jù)個數(shù)大約為40000個。數(shù)據(jù)處理完全依靠自行開發(fā)的專業(yè)程序完成。
　?。?）應(yīng)力內(nèi)力組合圖
　　本工程的結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算根據(jù)有關(guān)的國家規(guī)范進(jìn)行，內(nèi)力分析必須考慮施工階段、正常使用階段、閉水閉氣實驗階段的各種可能出現(xiàn)的荷載，需要考慮的荷載組合情況分列如下：
　　（1）自重
　?。?）自重＋預(yù)應(yīng)力施工狀態(tài)
　　（3）自重＋預(yù)應(yīng)力＋試水壓力
　?。?）自重＋預(yù)應(yīng)力＋試水壓力＋氣壓力
　?。?）自重＋預(yù)應(yīng)力＋試水壓力＋氣壓力＋溫度作用
　?。?）自重＋預(yù)應(yīng)力＋試水壓力＋氣壓力＋溫度作用＋風(fēng)壓力
　　（7）自重＋預(yù)應(yīng)力＋試水壓力＋氣壓力＋溫度作用＋風(fēng)壓力＋地震作用
　?。?）施工狀態(tài)模擬分析
　　其中氣壓力包括試驗氣壓以及可能產(chǎn)生的負(fù)氣壓；溫度作用包括季節(jié)溫差作用及壁面溫差作用以及它們在夏季、冬季對池體的不同影響；施工狀態(tài)模擬分析應(yīng)考慮池體分段施工非預(yù)應(yīng)力混凝土以及分批施加預(yù)應(yīng)力施工階段的模擬分析。
　　卵形消化池的內(nèi)力組合細(xì)分起來有16種之多，每一種內(nèi)力組合分析整理成右圖所示的結(jié)果，每一個結(jié)果所需要處理的數(shù)據(jù)個數(shù)大約為10000個。數(shù)據(jù)處理完全依靠自行開發(fā)的專業(yè)程序完成。手工計算無法完成（如圖5所示）。
2.4 實施三：針對卵形池的預(yù)應(yīng)力工程設(shè)計
　　卵形消化池的預(yù)應(yīng)力工程設(shè)計對整個工程造價及結(jié)構(gòu)安全度產(chǎn)生極大影響：
　?。?）建造卵形消化池，使池壁表面平滑過渡，既方便施工、外表美觀，又可讓設(shè)計建立的模型更加簡單。為此，我們運(yùn)用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)，選用扁錨體系（圖6上部）及群錨體系（圖6下部），采用變角張拉技術(shù)。
　?。?）采用變角張拉技術(shù)（如圖7所示）。
　?。?）配置了雙向預(yù)應(yīng)力鋼筋。

　　　　

2.5 實施四：針對卵形池的結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法
　　卵形消化池的結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法的特殊方面主要有以下幾點：
　　（1）卵形池的上部殼體部分最大水壓達(dá)260 kN／m²（在污水處理構(gòu)筑物中最大），池壁上必須開設(shè)洞口。簡單依靠混凝土的抗?jié)B很難達(dá)到閉水、閉氣實驗以及有關(guān)規(guī)范對于滲漏范圍、滲漏點數(shù)要求，因此消化池的防腐涂層必須有防水功能。我們在總結(jié)各方面經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出幾條設(shè)計及施工特殊要求，普通的做法難以達(dá)到其閉水閉氣要求。
　　（2）卵形消化池樁基承臺處于三向受力狀態(tài)，因而三個方向都應(yīng)配置網(wǎng)狀非預(yù)應(yīng)力鋼筋（如圖8所示）。

3　施工簡介

3.1　模板工程
　　卵形消化池池體為雙曲面，雙曲面定型模板的一次性攤銷費(fèi)用大。在國外，卵形消化池的設(shè)計與施工已經(jīng)有專業(yè)化的公司完成，有專門的模板及其支護(hù)系統(tǒng)、提升系統(tǒng)，整套模板系統(tǒng)的價格相對較高。在本工程的施工中，中國建筑第八工程局采用了自行開發(fā)并已經(jīng)成功使用的簡易模板系統(tǒng)（如圖9所示），在精度盡量滿足工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工要求的情況下，較國外的專業(yè)模板系統(tǒng)節(jié)省了投資。其缺陷是近似模仿卵形消化池的雙曲面特征，對池體的受力性能有一些不良影，影響程度可以根據(jù)其模板尺寸作定量分析。

3.2　預(yù)應(yīng)力工程
　　國內(nèi)已建成的卵形消化池為數(shù)不多，設(shè)計及施工經(jīng)驗相對較少，根據(jù)卵形消化池的受力特征我們采用雙向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系?；诼研蜗氐耐庑翁卣鳎荒懿捎糜姓辰Y(jié)預(yù)應(yīng)力方案及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方案。經(jīng)過初步計算，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方案較采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方案節(jié)省預(yù)應(yīng)力鋼筋1／5左右。
　　根據(jù)卵形消化池的受力特征，在施工現(xiàn)場作了卵形消化池工程預(yù)應(yīng)力張拉試驗多項測試工作（如圖10所示）。
3.3　閉水閉氣試驗

　　　

　　該項目于99年6月份完成池體的閉水閉氣試驗工作，均達(dá)到國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)（如圖11所示）。

4　設(shè)計優(yōu)化

　?。?）樁基：濟(jì)寧污水處理廠工程及漳州污水處理廠工程中的卵形消化池采用多分枝支盤樁，較灌注樁節(jié)省樁基工程造價1／3左右（如圖12所示）。
　?。?）錨具：濟(jì)寧污水處理廠工程及漳州污水處理廠工程中的卵形消化池采用游動錨具體系（如圖13所示），使得池體的受力更趨合理。

　　　　　

5　存在的問題及下一步打算

　?。?）杭州市四堡污水處理廠擴(kuò)建工程中采用的卵形消化池至今運(yùn)行良好，我們將在總結(jié)其設(shè)計及施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，逐步在其它的卵形消化池工程中進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，特別是要對池體的細(xì)部構(gòu)造作進(jìn)一步優(yōu)化（如圖14所示）。
　　（2）在結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面，國外專業(yè)公司在計算時甚至考慮日照方向不同引起的溫度差別對池體的影響，并且對不同曲率的卵形消化池結(jié)構(gòu)形式受力進(jìn)行分析比較以獲得最經(jīng)濟(jì)的方案，我們將通過努力，逐步縮小結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方面與他們的差距（如圖15所示）。

　　

（3）卵形消化池池體受力性能較好，理論上可以較柱形消化池降低單位池容的工程造價，國外專業(yè)公司在這方面的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較發(fā)現(xiàn)確實如此，我們也將通過進(jìn)一步分析計算，采取更好的卵形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)方案，使得卵形消化池不僅具有外形美觀的優(yōu)點（如圖16所示），更具有經(jīng)濟(jì)技術(shù)上的優(yōu)勢。

圖16 卵形消化池更具有經(jīng)濟(jì)技術(shù)上的優(yōu)勢