大型预应力卵形污泥消化结构设计.pdf

第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集·综述大型预应力卯形污泥消化结构设计I f 封质炎张毅( 上海市政工程设计研究总院，2 0 0 0 9 2 )( 上海市政工程设计研究总院，2 0 0 0 9 2 )摄要卵形消化池在污泥处理工艺、结构受力和节能等方面有综多优点，被国内外许多大型污水处理工程中应用本文针对该结构型式、受力状况、预应力配置方式等情况进行综合论述关键诩预应力；卵形消化池一概述随着国民经济的发展，人们对环境保护意识也在不断增强，污水处理工程已经成为现代文明城市建设必不可少的市政基础设施利用污泥消化产生的沼气进行发电是资源再利用的重要手段，由于卵形消化池在工艺、力学、节能等方面具有综多的优势，2 0 世纪5 0 年代开始，德国就开始建造卵形消化池，但当时因受材料、预应力技术等施工技术等因素影响，对卵形消化池推广应用有一定制约，随着预应力技术的发展，带动了卵形消化池的推广上世纪9 0 年代初，德国的博特罗普，建成了单池容量为1 5 0 0 0 m 3 卵形消化池日本先后建成了岩见尺市1 6 0 0m 3 和横滨市两座6 8 0 0m 3 的预应力卵形消化池，接着又兴建了2 0 多个容量不等的卵彤消化池，如今，卵形消化池在欧美等西方发达国家己得到广泛应用。

我国工程界在2 0 世纪6 0 年代也曾有过建造卵形消化池的设想，但受当时施工工艺水平、建筑材料、力学计算等限制没有付诸实施随着我国施工机具、材料及计算理论等方面技术发展，为卵形消化池在我国广泛应用创造了条件1 9 9 3 年由上海市政工程设计研究院设计建成的济南污水处理厂消化池，该容量为1 0 5 3 6m 3 ，采用双向有粘结预应力混凝土结构，该池的建成实现了国内卵形消化池零的突破1 9 9 9 年华北市政设计研究院设计并建成丁杭州四堡污水处理厂消化池，其池形与济南卵形消化池池形类似，但结构采用双向无粘结预应力随后又相继建成了厦门污水厂消化池和漳卅『污水厂消化池，2 0 0 6 年由上海市政工程设计研究院设计的重庆鸡冠石污水厂卵形消化池已正式投产，容积为1 2 1 1 6m 3 ，是目前国内最大的随我国对环境问题日趋重视，将有大量的污泥消化池要建造二卵形消化池的结构形式根据国内外已建的各种卵形消化池结构形式，归纳起来主要有下列几种( 1 ) 整体圆板基础牟壳体结构( 见图1 ) 2 ) 倒锥承台桩基半壳体结构( 见图2 )( 3 ) 环粱下桩基全壳体结构( 见图3 )1 ．2 5第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集·综述图1圈2图3整体圆板基础全壳体结构形式的消化池优点是池体为全壳体。

池体大部分受力性质一致、简单，基本以拉应力为主在受力较大的部位( 约离池底以上1 ／3 处) 均以水平拉应力或环向拉力控制，预应力筋布置较为方便简单；缺点是基坑开挖的工程量较大，基坑围护费也较大，水池壳体预应力筋配置量大适用于池体容量小且埋设较浅情况倒锥承台桩基半壳体结构地面以上为池壳，地面以下为桩基承台式块体，该结构优点是壳体下部采用普通钢筋砼结构，设计施工方便，缺点是块体部分砼用量较大，非预应力筋用量大，池体工程造价的增加较大环梁下桩基全壳体结构为池壳体和环梁结构形式该结构特点是环粱结构，既支承整个池体，同时又能使池壳的环梁处形成环向约束，使结构传力明确，壳体的最大拉应力值大为减小环梁支承可作为桩的承台，若采用地下连续墙桩基，则又可作基坑围护，池壳锅底的基坑的土方工程量也减少很多三池壳体型参数卵形消化池的体型参数中以下列几个变量 最为重要⋯V ’( 体积) 、“H ”( 池高) 、“D ”( 池 的水平最大直径) 、⋯R ( 圆弧段曲率半径) ，如右图所示曲面壳体如不考虑污泥处理工艺对池形的要求，则卵形空间壳体的球状体表而积最小，容积最大从而其池壳结构的砼用量少但按污泥处理工艺要求，壳体底部必须是锥体形，并有倾角度n ，一般在5 0 。

左右，且H ≥D ，一般H为1 ．5 ～2 ．0 D 从锥壳体的受力合理性及体表比较大，并结合池内搅拌设备的功能要求，和底锥壳埋地的开挖施工工程量等因素考虑卵形消化池锥壳的倾角宜为4 5 同时为使上下锥壳模板一致，池顶部锥壳的倾角宜为4 5 四池壳内力分析1 ．2 6第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集·综述卵形消化池结构内力计算通常用有限元计算有A n s y s 、A l g o r 、R o b o t 、A d i n a 等经计算分析，卵形消化池内力极大部分是由池内水荷引起，水荷作用时池壳绝大部分处于受拉内力分布是近环梁上部的池壳其水平环向拉力较大但环梁相对于池壳，环梁的刚度大，环梁的约束作用使池壳的最大拉应力减小甚多，而环梁上下部位置产生的竖向弯矩，池壳最大竖向拉应力是发生在环梁下部：较大环向拉应力发生在环梁上下的一定距离处，如不设置环梁，则池壳的水平环向拉力增加甚多所以大体积容量的消化池设计，从结构内力分布特点一般宜推荐环梁的结构形式，或采用地面以下块体的结构形式卵形消化池在自重与静水压力及沼气压力作用下起主要作用的为环向轴力和竖向弯矩，由于池壳弯矩相对于环向轴力而言，其影响甚小，所以只考虑了环向轴力的影响。

由此可以看出，环梁越是向上，环梁上部壳体拉力与环梁下部壳体拉力之比越小只有当二者之比接近1 ．0 时，池壳受力更为合理11 环梁设置高度宜为：h = ( ÷一二) 日，式中，h 为环梁顶面离池壳底的距离，1 4 为卵形消 34化池池壳总高度与此同时，环梁的设置还应考虑卵形消化池建设场地的地质情况和池壳的埋置深度五预应力在卵形消化池中的应用根据卵形预应力污泥消化池结构主要呈拉应力特性，通常都是采用预应力混凝土结构，我国首座济南污水厂卵形池采用有粘结预应力但由于当时后张法施工时，预应力筋孔道预留和张拉后孔道灌浆比较困难，且质量难以保证，再加上使用的金属波纹管与预应力筋之间的摩阻系数较大，故其在国内逐步被无粘结顶应力所取代，其后在济宁、厦门、漳州、杭州等地建造的卵形消化池均采用了无粘结预应力由于塑料波纹管配合真空辅助压浆施工工艺的引进提高了预应力孔道压浆的密实性和耐久性，最近建成的国内最大的重庆鸡冠石污水厂卵形消化池采用无粘结预应力国外卵形消化池较多采用有粘结预应力包括德国、日本、新加坡卵形消化池预应力钢筋配置应根据其池体的结构型式和施工方案的不同，有各种布置形式，现以环梁下桩基或地下连续墙支撑体系池体为例，分池壳体和锥壳体简述常用的预应力筋的靠筋方式：1 池壳体根据竖向预应力筋布置方式的不同。

常有以下两种布筋形式：①方案一：水平预应力筋采用环向筋，竖向预应力筋在子午线方向布置②方案二：水平预应力筋采用环向筋，竖向预应力筋采用“u ”型布置1 —2 7第四属全国预应力结构理论与工程成用学术会议论文集·综述2 整壳捧根据预应力筋的布置方式，常材四种布筋形式：①方案一：“网兜型”方案二：“平面双曲线型” 审穆⑦方案二：“平蕊双盛线型”方案三：“立体双曲线型”V@④方案四：“邵向、子午向正交型”以上四种布筋形式的前三种，其优点是每一穰预应力钢筋骶能摊供子午向的等效荷载，又能掇供径向的等效荷载，因此产擞的预压应力悬斜向的，近似沿4 5 度方向，这与下部壳体的应力特征相符同时，由于网状索系所有的张披、锚圈点都在环粱上，不需要在壳壁上预窝穴攒，医悲整工主瞧比较方便方案l ～3 ，激蘩3 方案更饶觚结构受力分耩看，该预应力钢筋布置是辘对称的，颈应力的内力效应与水腿荷载作用下的内力效应相仿，不产生预应力引起的不对称内力、变形和应力效应；从方便施工来看，这种布置方案网状索的每一根预应力钢筋都是等长的，有利于进行越好的规划、放样和组织；褒内力计算与分桁时，轴对称布鬣的预瘟力钢筋也有利于简纯诗嚣攘壅。

第4 方案布置简单，对调节聪应力的分布其静较大的灵活性子午向分布的预应力筋可以在合适的商度上截止，即可调整子午向的压应力，叉W 以使预应力筋的布置不至于过挤、过密：另一方面，环向预成力筋专门用以环向应力的太小，调整预压J 煦力方便，效果囊接缺点是锈潮魏秘张拉孔均教崔下部锥体竞绱静蠹铡，麓王鞍寐矮六结语l 一2 S心～叭瞅∥蚣、一第四届全国预应力结构理论与工程应用学术会议论文集·综述随着城市污水处理规模的扩大，卵形消化池的体积也越来越大，目前国内正在研究建造体积超过1 5 0 0 0m 3 卵形消化池方案可行性随着大型卵形消化池体积的增大，地震作用响应，动水压力计算等问题更为重要，有待进一步深化研究有必要加强超大型卵形消化池结构型式优化研究，在满足工艺的要求前提下，使池体在较小表面积的同时使池的容积增大，尽可能可节省混凝土和钢材无粘结预应力体系、金属波纹管有粘结体系、H D P E 波纹塑料管有粘结体系等三大预应力体系，各有优缺点，以H D P E 塑料管孔道+ 真空压力灌浆预应力体系技术经济指标相对较优参考文献【1 】洪兴等，预应力混凝土卵形消化池，特种结构，1 9 9 4 年1 1 月【2 】薛晓荣，卵形消化池结构设计，特种结构，2 0 0 1 年6 月【3 】范民权彭春强，大型卵形预应力消化池结构分析与优化，特种结构，2 0 0 5 年增刊T h eD e s i g no fL a r g e ·- s i z eP r e - - s t r e s s e dR e i n f o r c e m e n tE g g - t y p eD i g e s t i o nT a n kZ h o uZ h i y a nZ h a n gY i( S h a n g h a iM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gD e s i g nG e n e r a lI n s t i t u t e2 0 0 0 9 2 )A b s t r a c tT h ea r t i c l eb r i e f l yi n t r o d u c e st h ed e s i g no fP r e ·s t r e s s e dR e i n f o r c e m e n tE g g —t y p eD i g e s t i o n1 h n k ，a n dt h et y p eo fs t r u c t u r e ，a n dt h es t a t i ca n a l y s i s ．a n dl a y o u to fP r e ．s t r e s s e dR e i n f o r c e m e n t ．K e y w o r d aP r e - s t r e s s e dR e i n f o r c e m e n t ：E g g —t y p eD i g e s t i o nT a n k1 ．2 9。