60×120m方形预应力曝气池（无温度伸缩缝）结构设计与施工

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60×120m方形预应力曝气池（无温度伸缩缝）结构设计与施工
   
    Monolithically Structural Design for 60×120×7.0m Post-Tensioned A/O Basin with no Thermal Expansion Joints
   
    中国市政工程东北设计研究院           刘志刚, JHCE@sina.com
    Tel: 13504466029
            
    摘要：本文简单介绍了我国大型水池类结构考虑温度应力时的设计方法及对于超长水池的各种处理办法。通过哈尔滨文昌污水处理工程60×120×7.0m曝气池这个工程实例详细介绍了中国首座施工完成的大型无粘结预应力无温度伸缩缝水池的设计方法，以及无缝水池在经济性、耐久性、抗震性以及管理维护等方面的优点。
   
    关键字：污水处理池，温度伸缩缝，无粘结预应力，钢绞线，预应力锚具，橡胶止水带。
   
    Abstract: Different design methods for solving the thermal stress in large size tanks are discussed briefly. The monolithically design method for large post-tensioned wastewater tanks with no any expansion joints have been introduced carefully based on the Harbin A/O Basin. Also, the economic, durable and anti-earthquake advantages of the monolithically post-tensioned tanks are indicated
   
    Key Words: A/O Basin, post tensioning, rubber belt, water stopping, unbondened tendons, strands, anchorage and expansion joints
   
    一、前言
        随着我国经济的持续快速发展和人们生活水平的不断提高，生产和生活用水量将大幅增加。同时，污水处理量也将大幅提高。根据《城市污水处理及污染防治技术政策》（建城[2000]124号）已明确指出，到2010年污水处理率达60%左右。无论给水工程的清水池、沉淀池还是污水处理工程中的曝气池、SBR池、氧化沟等构筑物的容积都将越来越大。若按我国目前的《给水排水工程结构设计规范》GBJ 69-84的规定每20~30m左右设一道温度伸缩缝，一个水池将被分割成很多块，有的达几十块，块与块之间用橡胶止水带连接。很明显这种分块结构有下列问题：
    ①        整体性差；②抗震性能较差，在地震力作用下分缝处很容易互相碰撞而损坏；③橡胶止水带处容易漏水，因该处节点复杂，混凝土密实性很难保障（据调查很普遍）；④橡胶止水带有老化问题且易被酸、碱污水等腐蚀，结构耐久性差。
   
    二、混凝土膨胀剂的应用及使用效果
        在大、中型给排水工程中，有很多构筑物属于超长钢筋混凝土结构。在八十年代初期，人们认为使用混凝土膨胀剂可以解决钢筋混凝土水池超长问题。经过十几年的实践，发现有很多用膨胀剂解决超长问题的水池都不同程度地出现竖向温度裂缝，有些竖向裂缝处已出现黑绿色青苔，说明在这些竖向缝处渗漏是很严重的。这种现象在露天的污水处理厂的曝气池中有，在给水工程中的滤池、沉淀池也有。
        目前已报道的钙矾石延迟生成现象造成的结构物破坏的实例大部分是混凝土制品中无约束的边、角部分；或是约束很弱的板制品。约束较强的大体积混凝土基础，在国内未有破坏实例报道；但是Hobbs给出了英国的一些由于延迟钙矾石生成所导致的现浇混凝土结构破坏的实例[7]。导致延迟钙矾石生成的原因主要是内部水化温升大以及水泥含碱量高。
    目前国内补偿收缩混凝土工程的失败，大部分是由于对收缩补偿不够，导致开裂所引起的。由于国内已建的大体积补偿收缩混凝土结构只有十余年的历史，外包防水结构仍然完好，外部水分不能进入，此时延迟钙矾石生成是不会造成危害的。但经过长期使用后，外包防水结构如果有破损，外部水分直接与补偿收缩混凝土接触，此时的情况会怎样，难以预料。因此我们对于延迟钙矾石生成的潜在危险性应有充分的认识。因此，为了更好地发挥国家投资效益（我们国家并不富裕，大部分投资都是来自世界银行、亚洲开发银行等贷款），我们应该充分地考虑水池类结构的耐久性设计与施工。
   
    三、设置混凝土后浇带
        当池体长度超过国家规范的要求时，不设温度伸缩缝，而设置1~2m宽的后浇带。后浇带砼待其两侧混凝土浇筑完毕后2个月左右再行浇注。
    但后浇带只能解决施工期间混凝土的收缩问题，并不能解决季节温差（湿差）所产生的温度应力问题。尤其对于水池类结构，随着时间的延续，后浇带很难保证池体混凝土不发生开裂、渗水。
   
    四、预应力技术
        用有粘结或无粘结预应力钢绞线来解决温度应力问题。当池体长度和宽度都较长时，不设温度伸缩缝，而在池壁、底板水平方向均施加预应力来解决温度应力问题，这是从根本上解决水池裂缝问题的方法。
        而且，我国目前已在污水处理厂中的初沉池、二沉池中广泛使用。对于矩形水池，国内应用预应力技术的则很少。其原因之一是认为预应力水池造价较高。实际上，预应力水池的造价是受多种因素控制的，如建造地点、地基情况等，但主要原因是国内很多预应力工程是采取双保险的设计方法进行结构设计的。
        另一种造成预应力矩形水池建造少的原因是设计方法的落后，也就是设计概念的落后。直接后果是预加到池壁上的预应力相当有限（也就是说此时的预应力不起什么作用，只能增加非预应力筋来平衡外荷载）。而对矩形（包括圆形）水池的底板施加预应力的工程实例则少之又少。
        预应力水池的另一个优点是：由于混凝土被施加预应力以后，混凝土本身受压，其抗渗性能将大大提高。传统水池与预应力整体水池渗水量的比较：
        （1）我国规范规定水池允许渗漏量为：2L/m2d。
        举例说明如下：如一个10,000m3清水池，根据我国规范的规定，每年允许渗漏量为2,409 m3。
        （2）美国预应力清水池允许渗漏量为：
        标准A  0.05%V池/96小时
        标准B  0.05%V池/48小时
        标准C  0.05%V池/24小时
    即：
        CLASS A：一个10,000 m3清水池每年允许渗漏量为456.25m3。
        CLASS B：一个10,000 m3清水池每年允许渗漏量为912.5m3。
        CLASS C：一个10,000 m3清水池每年允许渗漏量为1825m3。
    可以看出，预应力清水池允许渗漏量要远远低于我国传统水池的渗漏量。这样不仅可以节约水资源，而且水池的耐久性也大大提高了。
   
    五、60×120m无温度伸缩缝预应力曝气池结构设计
        （一）工程概况
        哈尔滨文昌污水处理厂规模为16.5万吨/日，工程地点位于哈尔滨市太平区，即松花江与阿什河交汇处的东南。地形略有起伏，地势低洼，属于松花江河漫滩。地层从上至下分述以下：
        (1)杂填土  (2)粉质粘土  (3)细砂  (4)中砂  (5)粗砂  (6)中砂  (7)细砂  (8)中砂  (9)粗砂。自然地面标高为115~120.0m工程场地地下水位较高，2001年4月勘查期间实测稳定水位埋深3.0~7.8m。场区30年一遇洪水位之溢流水位标高为 115.870，曝气池底板上表面标高为111.700。
        （二）传统钢筋混凝土结构设计
        曝气池平面尺寸为60×120m，池深7.0m。由于地下水浮力较大，设计采用抗拔桩基础，桩型采用高压注浆桩，桩间距为2.3m。
        为解决温度应力问题按目前规范室外露天结构（哈尔滨夏季30℃，冬季-35℃）每20m设一道温度伸缩的要求，该曝气池将被划分为18块。若采用传统的钢筋混凝土结构，池壁厚度为700mm，底板在池壁根部处的厚度为1.2~1.5倍的池壁厚度，取为900mm，其它部位为500mm（由于底板在伸缩缝处设置橡胶止水带，为保证结构的安全性，底板厚度不宜太薄）。
        （三）预应力曝气池结构设计
    预应力曝气池底板厚度350mm，池壁厚度400 mm。详见下图。
   
   
     
   
    在纵横两个方向对底板施加预应力。池壁在竖向及水平方向施加预应力。混凝土裂缝控制在0~0.1 mm之间（我国传统钢筋混凝土水池裂缝一般控制在0.2 mm左右，虽然也可控制在0.1 mm，但其用钢量将成倍增加）。因此，采用预应力无缝曝气池建造出来的结构耐久性更强。预应力曝气池与传统钢筋混凝土曝气池的经济比较如下：
   
    方  案  比  较  表
    项目名称：哈尔滨文昌污水处理厂工程60×120m曝气池（2个）
    序号        项 目 名 称        建筑工程（万元）
    1        预应力曝气池（方案1）        2×422.0
    2        传统矩型水池（方案2）        2×590.0
    3        方案1比方案2节省投资额        336.0
          注：方案比较中没有包括两种方案相同的部分如：导流墙、走道板等。
   
    该预应力曝气池所使用的材料均为国产。混凝土为C35，抗渗标号为P8, 抗冻标号为F200。钢筋为HPB235级HRB335级，1860Mpa级低松弛钢绞线，北京市建研院B&S锚具。
   
    六、施工管理
        两个预应力曝气池施工分别是由哈尔滨市政一、二公司来完成的。由于60×120m预应力曝气池是我国目前完成设计和施工的最大的预应力曝气池，无论设计、施工和建设单位管理人员都非常重视。在施工前，建设单位组织设计单位进行了详细的施工交底工作。使施工技术人员明确设计意图，以确保构筑物的施工质量及安全。在预应力曝气池施工管理过程中建设单位主要从以下几个方面进行了重点管理：首先选择了一家信誉好的商品砼搅拌站，确保混凝土本身不出现任何问题。第二，重视混凝土外加剂的选用。第三，预应力曝气池的重要材料如：钢绞线、锚具等由设计、监理、施工单位及业主共同考查确定。施工单位主要从混凝土振捣、养护、支模，预应力筋布置、张拉等方面加强了管理。实践也充分证明了上述措施是行之有效的。整个预应力曝气池从桩基施工到池体结构浇注完毕、钢绞线张拉、锚具防腐完毕共历时3个半月。在施工期间由美国工程师Mr.Close先生，天津大学卞延彬博士及中国市政工程东北设计研究院工程技术人员进行了全过程的施工指导。水池试水一次通过验收，其渗漏指标已达到美国A级标准。
   
     
   
    60m x 120m A/O 曝气池底板混凝土浇注
    （无伸缩缝整体水池）
   
    七、结语
    预应力曝气池结构设计，其整体性、抗震性、耐久性都是传统分缝钢筋混凝土水池无可比拟的。采用预应力技术节约建设资金在9%左右（该曝气池基础为桩基础。若地基较好，可节省20～30%左右）。而且，无缝设计可以从根本上解决水池渗漏问题，彻底避免分缝设计给水池管理带来的麻烦。因而可以节省大量的维护管理费用。可以确信，随着我国企业改革的深入、私有化的加快，预应力无缝设计技术会给我国的工程建设做出更大的贡献。
   
   
   
    参考文献：
    1,《无粘结预应力混凝土结构技术规程》 JGJ/T 92-93
    2,《混凝土结构设计规范》 GBJ 10-89
    3,《部分预应力混凝土》 杜拱辰，中国建筑工业出版社
    4,《预应力混凝土结构设计》（第三版）林同炎著
    5,《后张预应力混凝土设计手册》中国建筑科学研究院， 陶学康主编
    6,《工程结构裂缝控制》 王铁梦，中国建筑工业出版社
    7,D.W.Hobbs. Concrete deterioration: causes, diagnosis, and minimising risk. International Materials Reviews, 2001, 46(3):117-144
    8,阎培渝，彭江，陈广智.大体积补偿收缩混凝土中的延迟钙矾石生成现象.
    《混凝土》2002年第1期
   
   
   
    预应力无缝水池工程地点及施工单位情况：
   
    1、长春西郊污水处理厂（15万吨/日）曝气池100 x 100 m。
    施工单位：土建施工：吉林省一建。预应力施工单位：吉林省一建预应力工程公司。2001年完成施工。
    2、哈尔滨文昌污水处理厂二期工程（16.5万吨/日）曝气池60 x 120 m 两个。
    施工单位：土建施工：哈尔滨市政一、二公司。预应力施工单位：哈尔滨宏达预应力工程公司。2001年完成施工。
    3、大连市沙河口净水厂（20万吨/日）清水池2个。分别为20,000 M3, 10,000 M3 （分别为55m x 65m, 30m x 80m）。
    施工单位：土建施工：大连金洲二建。预应力施工单位：鞍山北方预应力工程公司。2002年已完成施工。
    4、佳木斯净水厂（20万吨/日）清水池2个。每个10,000 M3 。
    施工单位：土建施工：吉林省一建。预应力施工单位：吉林省一建预应力工程公司。2002年已完成施工。
    5、盘锦污水处理厂（10万吨/日）A/O曝气池 60 x 103m。
    施工单位：土建施工：中水一局。预应力施工单位：吉林省一建预应力工程公司。2002年已完成施工。
    6、营口污水处理厂（10万吨/日）A/O曝气池 60 x 103m。
    施工单位：土建施工：河北二建。预应力施工单位：河北二建预应力工程公司。
    2002年已完成施工。
    7、锦州污水处理厂（10万吨/日）A/O曝气池 60 x 103m。
    施工单位：土建施工：中建总公司北方分公司。正在施工。
    预应力施工单位：鞍山北方预应力工程公司。正在施工。
    8、本溪净水厂（20万吨/日）清水池一个。10,000 M3 。
    施工单位：土建施工：本钢一建。预应力施工单位：鞍山北方预应力工程公司。正在施工。
    9、吉林三水厂（20万吨/日）清水池一个。20,000 M3 (72m x 72m)。
    施工单位：土建施工：吉林市第一建筑公司。预应力施工单位：吉林市一建预应力公司。正在施工。
    10、哈尔滨磨盘山水库供水工程（90万吨/日）清水池4个。每个45,000 M3 (90m x 121m)。
    施工单位：正在施工。
    11、哈尔滨文昌污水处理厂三期工程（32.5万吨/日）沉淀池 52m x 190 m 4个,曝气池60m x 120m 4个，初步设计阶段。