談垃圾焚燒發電廠水池結構設計
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摘要：水池在垃圾焚燒發電項目中應用廣泛，這類構筑物常埋置于地面以下，儲存介質成分復雜，要求其不僅要具備較強的承載力，還要有良好的抗滲性、抗裂性和耐久性，并在結構構造上采取措施進行加強。文中以事故雨水池為例進行分析，采用PKPM水池有限元計算模塊進行分析，研究水池的受力特征，為后續相關設計工作提供借鑒參考。
關鍵詞：垃圾焚燒發電；水池結構；有限元
引言
水池是垃圾焚燒項目中較常見的構筑物，水池的容積、外形尺寸、存儲液體等通常由工藝專業條件確定。水池結構按照平面形狀可分為單格水池、多格水池、圓形水池、矩形水池；按照使用條件可分為有蓋水池和無蓋水池；按照結構形式可分為：等壁厚水池、變壁厚水池、加扶壁柱水池；按照安放位置可分為全地下水池、半地下水池和地上水池；按照施工工藝分為現澆混凝土水池、裝配整體式水池、預制拼裝式水池。現階段，設計院進行水池設計時，仍以《給水排水工程結構設計手冊》（第二版）［1］為主，將水池構件分解為二維彈性板件，假定為單向板或者雙向板，采用查表或者理正等輔助計算軟件進行工程設計。雖然此方法可解決大部分工程問題，但這種將頂板、壁板、底板等作為獨立結構單元進行設計的方法，無法考慮各板塊的整體相互作用，不能準確反映水池結構的實際受力狀態。本文結合實際工程案例，對鋼筋混凝土全地下單格水池結構進行研究，采用PKPM水池設計模塊QY-POOLS計算，總結經驗規律，供設計人員參考借鑒。
1工程概況
本文以南充南部縣生活垃圾焚燒發電項目中的事故雨水池為研究對象。該水池總長度21.1m，寬度9.8m，室外地坪標高為355.0m，水池頂板頂標高為353.0m，即池頂覆土2m厚，水池底板底標高為348.0m，屬于全地下水池，設計水深4m，抗浮設防水位取室外地坪下1m。底板厚度取500mm，側壁厚度取400mm，頂板厚度取250mm，池內立柱截面取450mm×450mm，頂板框架梁分別取300mm×500mm、350mm×750mm，結構構件采用C40防滲混凝土澆筑，抗滲等級P6，控制裂縫限值為0.2mm。根據勘察報告，基礎持力層為強風化砂巖，地基承載力特征值為300kPa。水池平面布置如圖1所示。
2水池結構設計要點分析
水池結構設計時需要采用合理有效的計算假定，對不同工況下的荷載組合進行分析，使水池各板塊既要滿足正常使用狀態下的裂縫、撓度等要求，又要滿足承載能力極限狀態下的強度等要求。水池結構計算分析主要包括水池各構件的內力、配筋、裂縫計算、地基承載力計算以及水池抗浮驗算等方面。
2.1水池荷載
2.1.1頂板荷載頂板荷載包括頂板恒荷載及活荷載，其中頂板恒荷載包括覆土荷載、建筑防水做法重量以及頂板自重；由于該水池埋置于廠區綠地之下，活荷載不需要考慮汽車荷載，計算時活荷載按地面堆積荷載10kN/m2取值。
2.1.2壁板荷載壁板上作用的荷載主要包括池壁自重、池內側的流體壓力、池外側的地下水壓力、池外土體的主動土壓力以及溫、濕度作用。水池荷載主要體現在水壓力和土壓力，設計時考慮最不利情況，池內水深按照滿水情況進行計算。由于本項目事故雨水池為全地下水池，可不考慮溫度、濕度變化對結構的影響。
2.1.3底板荷載水池底板上作用的荷主要有池內水的自重，水池頂板和底板的重力荷載，覆土荷載以及頂板活荷載。地基土在上部結構荷載的作用下會發生變形，同時給底板提供一個反作用力，地基反力主要由頂板活荷載、頂板覆土荷載、頂板自重、壁板自重以及池內立柱自重引起。
2.2荷載組合
水池結構設計時，主要有以下三種荷載工況：（1）池內有水、池外無土（結構在做閉水試驗時的工況）；（2）池內無水、池外有土（結構建成，試水期結束，土體回填完成時的工況）；（3）池內滿水、池外有土（水池在正常使用時，滿水的工況）。一般情況下，前兩種工況下的荷載組合會引起最大內力，可只對前兩種工況進行驗算，取最不利荷載組合用于結構設計。對于多格水池，QY-POOLS可以自動考慮各池體盛水荷載的不利布置。
2.3抗浮驗算
當地下水池在承受地下水浮力時，應進行水池結構的整體抗浮計算，滿足抗浮安全系數不小于1.05，保證水池結構不發生整體上浮。同時，對于有中間立柱作為支承的結構時，還需驗算支承區域內的局部抗浮，防止底板在水浮力作用下向上發生變形，產生裂縫。
3模型分析
3.1建立有限元模型
PKPM水池計算模塊采用有限元方法對水池進行計算分析，可自動對水池進行網格劃分以及荷載組合。由于混凝土材料的特殊性，長期受荷狀態下會有軟化和應變集中的現象，如果單元網格劃分過細，可能造成計算結果不收斂,本工程將單元格尺寸劃分為0.5m×0.5m。在計算時水池主體構件如頂板、壁板和底板均采用板單元模擬，梁、柱以及扶壁柱等采用梁單元模擬。根據規程［2］將池壁底部作為固定約束，但按照固接無法體現實際受力特征，池壁與頂板連接假定為完全簡支，但實際受力時，側壁與頂板并不是絕對的簡支支撐，頂板四周是具備抗彎剛度的，有限元軟件計算時，可以考慮側壁頂板的剛度相對大小。因此，本軟件在考慮相連壁板之間、壁板與頂板之間、壁板與底板之間連接時均采用彈性固定模型。基礎計算采用溫克爾地基模型，底板下假定為彈簧支座，本工程取20000kN/m3。
3.2模型分析
（1）側壁內力分析：長向池壁水平彎矩和豎向彎矩云圖如圖2、圖3所示。短向側壁水平彎矩和豎向彎矩云圖如圖4、圖5所示，水平彎矩的最大值出現在角隅處，角隅負彎矩達到47kN•m，且跨中部位彎矩較小，因此在設計時應采取構造措施對側壁連接處進行加強。長向側壁豎向彎矩最大值為43kN•m，短向側壁豎向彎矩最大值為37kN•m，均出現在板塊中下部，且側壁頂部彎矩并不為0，也說明側壁與頂板并非簡單的簡支關系，反映了實際的受力狀態。（2）頂板內力分析頂板彎矩云圖如圖6所示。頂板彎矩呈現兩頭及中間有立柱位置彎矩大的趨勢，在左右兩側負彎矩達到最大值12kN•m，靠近端部的兩根立柱附近正彎矩最大為22kN•m，主要是因為有立柱位置存在應力集中，內力發生突變。（3）底板內力分析底板彎矩云圖如圖7所示。水池底板彎矩呈現兩頭大中間小的特點，在設立柱位置彎矩達到最大值，說明設置了立柱之后，改變了荷載的傳遞路徑，傳至底板的內力會引起底板內力重分布。
3.3構造措施及注意事項
（1）在水池池壁與頂板、底板交界處以及池壁與池壁交界處應設置加腋。設置加腋目的是為避免應力集中，其中池壁與頂板、底板的腋角高寬比為1:2，池壁與池壁之間的腋角為45°，腋角邊長應大于150mm，通常取壁厚的0.8~1.2倍，并應構造配筋，所配鋼筋應不少與池壁或頂板、底板截面受力鋼筋的50%。（2）在水池頂板及側壁較大開洞處，設置暗梁、暗柱，彌補開洞對結構構件剛度的削弱，加強結構的抗裂性能。在側壁與側壁交界處，設置暗柱，增強水池整體性，避免產生超過規范要求的裂縫。適當增加水平鋼筋配筋率，根據對已建成電廠水池結構的回訪調研，水池產生的裂縫大多為豎向裂縫，加大水平鋼筋配筋率，保證不小于2%，對減少裂縫可產生重要作用。（3）為了避免鋼筋混凝土水池出現裂縫，并確保抗滲等級，施工時應采取下列措施：1)池子施工時，應振搗密實，混凝土澆筑后應立即養護，養護時間不少于14晝夜;2)水泥宜選用普通硅酸鹽水泥；水膠比不得大于0.40，塌落度總損失值不宜大于4cm，膠凝材料用量不得少于340kg/m3，含砂率宜為35%~40%，灰砂比宜為1：1.5~1：2.5,最大氯離子含量為0.08%。砂、石應致密，骨料應采用石灰石、石英石或花崗石，但不得采用有堿骨料反應的活性骨料；3）混凝土中應摻抗裂防水劑，摻量為膠凝材料用量的9%~11%（具體以廠家為準）；4)夏季施工時，應盡量降低砂石進入攪拌機溫度，必要時可采用遮陽淋水措施。（4）用于固定側壁模板的對拉螺栓端頭應進行特殊處理，處理方案如下：1）將側壁內外兩側的對拉螺栓端頭切除，切除深度應進入混凝土面內1~1.5cm；2）用環氧膠泥將切除部位補平加強；3）按照建筑圖要求進行防水層、防腐層施工。
4結論
本工程改變了以往只是單純采用二維設計的方法，通過PKPM水池模塊的有限元方法進行三維建模，對事故水池內力進行分析，更準確反映水池結構實際受力情況，計算結果可靠準確。同時，相比傳統有限元設計軟件如Midas/Gen、SAP2000以及ANSYS，PKPM水池設計模塊更為方便快捷，工程師可以查看包括所有工況組合計算結果、各板塊構件配筋、變形、裂縫、地基承載力及抗浮設計等結果，而且可以生成模板圖以及水池配筋圖，非常適合日常結構設計，可以大幅提高工程人員的準確率和設計效率。
參考文獻
［1］給水排水工程結構設計手冊編委會.給水排水工程結構設計手冊（第二版）［M］.北京：中國建筑工業出版社.2007
［2］CECS1382002：給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，2002.
作者：王群 單位：中國航空規劃設計研究總院有限公司