预应力卵形消化池设计
1．工程概况
国内污水处理厂构筑物中有消化池，一般多采用柱壳锥顶的结构形式，在济南污水处理厂之前未见采用卵形消化池的工程实践。卵形池体与以往所建的柱壳锥顶池体比较，无论在工艺上和结构本身都具有明显的优点。国外卵形消化池技术发展很快，卵形池体在德国、日本都已形成一套独特的施工方法，设计、施工技术趋于成熟，我国在这方面尚属空白。鉴于卵形消化池在污泥处理和结构方面所具有技术经济优越性，故在济南污水处理厂工程中，设计了容量为10536m3的预应力砼卵形消化池。通过该项工程的实施，为进一步推广这一新型的结构创造了条件。
该消化池池体分为上部薄壳和下部厚壳两部分。地面以上为薄壳部分，高度为29m，最大内径为24m，壳体壁厚为变厚度，最大处为700mm，最小处400mm，地面以下深15m，基础采用直径为800mm钻孔灌注桩，池壁水平向及垂直向均采用低松驰高强度钢绞线施加预应力。水平向采用HM型游动锚张拉锚固体系，竖向采用OVM型张拉锚固体系。该工程1993年11月份完成了闭水试验和池体应力测试。图1-1为池体的竖向剖面图。
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1-1 池体的竖向剖面图
2．池体形状及池壁构造
卵形池体的尺寸，主要由污泥处理所需的有效容积及机械设备的有效搅拌效率决定。本工程所设计的池体是由池顶锥体、中部桶体、池底锥体三部分组合而成。池体中部桶体是确定卵形池体内径及高度尺寸的主要因素。在满足污泥处理工艺要求的前提下，降低池体的总高度或增大池体的内径可降低整个池子的重心，提高池体的整体稳定性。
池壁为满足消化工艺的保温要求及防止污水对内池壁的腐蚀，内壁作防腐蚀处理，池外地面以上部分则作保温处理。
内壁选用氯磺化聚乙烯胶泥进行防腐处理，顶部及常水位1m以上范围及砼施工接缝处粘贴无纺玻璃布一层，以满足池顶气室部分的气密性要求。
池外壁保温层构造如图2-1所示，其中的硬质聚氨酯泡沫塑料保温层采用现场直接喷涂发泡成型施工工艺。施工方便，无接缝，与基层接合紧密，保温性能好。
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图2-1
3．池体结构内力分析
3.1 计算假定
池体尺寸确定后，结构布置时，将池体分为上部薄壳和下部台阶式厚壳两大部分，厚壳用作桩承台。计算时按计算要求将壳体离散成壳元与块元。块元与壳元的交界处按块元的位移条件确定。变厚度壳体区段用等厚度壳元来代替，共分为4种厚度，分别为。0.4m，0.425m，0.545m，及0.70m。厚壳在桩支承处按固定支承边界条件考虑。桩的点支承为方便计算，假定为具有与桩径等宽度的固定支承环如图3-1所示。
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图3-1
内力计算采用可解析回转对称结构的通用结构分析程序。该程序采用半解析有限元的理论编制。由于程序综合了解析法和离散计算的优点，使得整个求散效率大大提高，同时也改善了计算精度。
整个计算的内力输出结果采用空间杆件分析通用程序SAP-5进行复核。
3.2 池体上的荷载
3.2.1永久荷载
(1) 结构自重
(2) 土压力
(3) 池内液体压力 取液体容量为10.5kN/m3
(4) 预应力
3.2.2可变荷载
(1) 温度作用：根据壁厚、保温层的构造、壁面温差取7.5℃；季节温差取10℃。
(2) 地震作用：按7°地震设防。
3.3 计算结果
壳体单元输出各节点环向力、竖向弯矩等六个薄膜内力。
块体单元输出各节点六个节点内力分量。
3.4 荷载效应组合
按承载能力极限状态组合进行设计。
根据GBJ9-87
3.4.1 γ0S≤R
式中: γ0－结构重要性系数取1.10；
S －荷载效应组合设计值；
R －结构抗力设计值、设计中该值作为预压应力的控制值。
3.4.2 S=γGCGGK+ γQ Q1K+γQ CQ2·φC1 ·Q2K
式中: CG为荷载效应系数。上式用计算内力值代换为
S=γGNK+γQ N1K+γQ N2K·φC1
式中: γG－ 永久荷载的分项系数，取1.20；
NK － 直重及池内液压作用产生的内力；
γQ1 － 温度荷载分项系数，取1.40；
γQ2－ 水平地震荷载分项系数，取1.30；
N1K、N2K － 分别为温度变化和地震作用产生的内力；
φC1 － 可变荷载组合值系数，取1.0。
4．池体预应力张拉锚固体系设计
4.1 预应力钢材选用
池体水平向及竖向均选用高强度、低松驰级钢绞线。产品的质量标准按美国ASTM、A416-87a和英国BS5896-1980相应指标制定。该产品与普通松驰级钢绞线相比较具有较突出的特点。
4.1.1预应力松驰损失值低
在80%破坏荷载下1000小时的松驰值为3.5%或4.5%，而普通松驰级为12%；
4.1.2屈服强度高，受力后产生的永久变形小。其屈强比≥90%；
4.1.3产品在生产过程中经过稳定化处理，贮运、施工均较方便。
4.2 张拉锚固体系
预应力筋的张拉锚固选用OVM型锚具。OVM锚具是在以往群锚基础上又改进开发的新一代的锚具系统。OVM锚具适用于锚固不同级别的高强钢绞线，具有良好的自锚性能，施工操作简便、锚固性能可靠。HM型锚具是在OVM锚具体系的基础上为适应曲线预应力筋各分段连续一次张拉的要求而开发的又一类型锚具。经分析比较后确定，水平向预应力束采用HM型锚具；竖向预应力束采用OVM型锚具。
HM型锚具最突出的特点就是张拉端和锚固端在一块锚板上实现，锚板是可以移动的，不直接与池壁接触，所以又称为游动锚。其特点是：
4.2.1池壁上不需要专门设置竖向肋及特殊的加固加强措施；
4.2.2可以大大减少曲线预应力筋的弯道摩阻损失；
4.2.3采用适当的分段，各分段同步张拉，可以满足大直径池体整圈一次建立预应力的要求。
本工程池体水平向预应力束采用三点同步张拉，每区段绞线束所对应的中心角为120°(如图4-1所示)。
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图4-1
由于弯道摩阻力的作用，钢绞线束中的预应力值随距张拉端的距离增大而减少，为使在整个曲面上建立的预应力值大致均衡，故每圈预应力束，均在其下一圈的基础之上按逆时针转30°定位。
HM型锚具组装件的组成(包括张拉设备)如图4-2所示。
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图4-2
根据柳州市建筑机械总厂和长江水利委员会所做的静载试验报告，HM型锚具组装件的效率系数>0.95%；弧形垫块弯道及锚口总摩阻损失小于12%。在实际施工时可采用超张拉来部分补偿这部分附加的预应力损失。
4.3 池壁水平向张拉孔的构造及波纹管的选择
张拉孔按以下要求设计。
4.3.1工作锚可在张拉孔中自由移动；
4.3.2张拉孔封堵时确保工作锚的砼保护层厚度。
根据池体的内力计算值，采用二种钢绞线束6束7φ5及4束7φ5。
波纹管选用黑铁皮现场卷制，管径按在正常施工条件下孔道与预应力筋的面积比为3.5～4选用。实际选用管径为6束φ65，4束φ50。
5．预应力束的配置
5.1 预应力损失值计算
5.1.1张拉端锚具变形和钢筋收缩σ11
这部分预应力损失值产生在张拉端附近，在钢绞线应力最大处。曲线预应力筋孔道摩阻在全部预应力损失值中占很大比较，本工程中张拉端至计算截面的切线夹角为60°，这部分损失值产生后，由于负摩阻的影响，对计算截面处的钢绞线内应力值不起作用，相反这部分损失值还可以调整钢绞线内应力的不均匀性。在某些工程设计中还采用适当的内缩值来调整预应力的应力均匀性。所以，预应力总损失值中不计入σ11。
5.1.2预应力束的孔道摩阻损失σ12
由于HM型锚具的施工工艺特点，这部分损失值中应加入锚口处弧形垫块摩阻损失。根据试验，这部分的损失与施工时的熟练程度、弧形垫块的块数和垫块上是否涂有润滑剂有关，综合各方面因素，采用12%σcon。
另一部分孔道摩阻按规范公式计算。
5.1.3预应力钢绞线束应力松驰σ14
规范公式是按普通松驰级计算的。
σ14=φ(0.36×σcon/fhk－0.18)σcon
σ－调整系数0.9，取σcon=0.8fptk，则
σ14=0.9×(0.36×0.9－0.18)σcon=0.0972σcon
本工程选用的低松驰级纲绞线在0.8fptk的张拉应力下1000h的松驰值小于4.5%，与规范公式计算比较此值是其的0.5倍。实际设计中此值选用0.045σcon 。
5.2 砼收缩和徐变σ15
按规范公式计算。池体处于高湿度环境中，计算值可降低50%。
预应力总损失值为
σ损=σ12+σ14+σ15=0.429σcon
σcon－张拉控制应力
5.3 预应力筋的张拉控制应力σcon
σcon取0.8fptk
fptk－钢绞线强度标准值1860N/mm2
σcon取值大于规范规定10%，因为
(1) 低松驰级钢绞线屈服强度高，屈服比大于90%；
(2) 锚前预应力损失占12%，主要产生在张拉时弧形垫块弯道处的损失，如减去这部分损失，锚后的最大应力值为0.704fptk，满足规范的要求；
(3) 有利于提高实际预应力值。
5.3 水平向钢绞线束的配置
配置原则：由外荷作用产生的环向张拉力全部由预应力筋来承受，并使池壁保持有0.3～0.5N/mm2的剩余压应力。
根据施工工艺要求，池壁上的钢绞线的最小间距取180；最大间距取900。
由于环向力随着池壁高度的上升而减小，为更合理的利用钢绞线的强度，在池壁高度一定范围内采用4束来配置。
池壁根部，壳体单元与厚壳单元相交之处，由于厚壳的刚度远大于壳体的刚度，施加在壳体上的预应力很大一部分都被厚壳所吸收了。因此，只在壳体上施加预应力很难达到要求的应力值。同时，由于厚壳的边界效应，环向预应力的作用效应转变成的以竖向弯曲变形为主，通过局部划细网格计算后可以说明这一点。因此，设计中对位于地面以下部分的厚壳单元，在一定范围内也配置了预应力束，取得预期的效果。
竖向预应力筋的配置以考虑池体的整体构造要求为主。卵形体处于三维空间受力状态，池壁以承受环向轴拉力为主，竖向应力相对很小。但在壳体与厚壳的交界处，由于边界效应，具有较大的弯曲变形，这部分变曲变形在空池时，即在施工或检修阶段最为不利。
6．应力测试
预应力卵形消化池国内在设计和施工方面均属首次，缺乏这方面的实际经验。为确保工程的安全可靠，验证所取设计参数的正确性，工程设计中安排了应力测试的内容。
测试分两个方面。
6.1 实测池体在施工阶段(预应力张拉阶段)及满载时的实际应力值。
从基础砼浇筑开始就跟踪埋入应力计，应力计的位置根据理论计算时的应力分布情况而定，分每圈3点、4点、6点布置见图6所示。整个池体共埋入120个应力计。
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图6-1
从第一道预应力束开始张拉时即开始跟踪测读。测读工作一直延续到充水试验后一段时间。埋入的应力计长期有效。测读所采用的仪器为SD-520日本共和静动态应变仪。
6.2 测定曲线预应力束在弯道摩阻力最大之处的实际应力值，以此来比较按规范公式计算的摩阻损失的差异。
为了直观的测出钢绞线中的应力值，在厚壳预应力束孔道口开了一个窗口，在钢绞线上接入全封闭式应力传感器，钢绞线张拉时可以直接读出每级拉力下应力传感器的读数。
安装时先把要求测读部位的钢绞线割断，断头处加套管后用GYJ专用挤压器挤压成一端带套管的接头，然后与传感器夹具连接在一起。
6.3 HM型锚具弧形垫块应力损失
HM型锚具弧形垫块弯道摩阻占总控制应力的12%，能否减小这部分损失，为此做了不同垫块数及在弧形弯道中涂润滑剂与不涂润滑剂的几组试验。
7．施工
卵形消化池施工主要技术难点为模板工程和预应力张拉工程。
卵形池体是一空间双曲面体，给模板的架立和定位带来很大的困难。国外在模板架立技术上已趋成熟，有定型的拼装式模板，如迪维达克式圆锥形模板，这种模板采用油压可以沿着要求的曲线爬升，弯曲的角度可以调整。具有一定规模和先进性。
本工程由中建八局二公司负责施工，他们组织力量进行技术攻关，精心设计出一套具有中国特色的模板系统。所用材料基本上是以常规的φ48×3.5脚手钢管为主，配合一些必要异形钢模板。这套支模体系统经施工实践证明是切实可行的，三个池子施工形成流水作业之后可以满足施工进度和质量的要求。目前该项施工技术已完成中建总公司的施工技术鉴定。
池体砼设计要求的强度等级为：地面以下厚壳采用C30；地面以上薄壳采用40并掺入PNC微膨胀剂。池体砼在现场拌制后用泵送至浇筑点。
预应力张拉是本工程的关键工序。预应力束张拉按如下技术要求进行：
(1) 每圈预应力束必须达到设计所要求的控制应力值。
(2) 不允许有孔道堵塞及漏张。
(3) 确保钢绞线和锚固可靠。
(4) 及时进行孔道灌浆。
张拉程序按如下原则：
(1) 使分批张拉产生的应力损失值最小。
(2) 方便施工。
为减少砼收缩和徐变产生的预应力损失，设计中要求池体砼全部浇筑完毕后，养护三个月以上才能进行预应力束的张拉。这样的要求对于地面以下厚壳上预应力束的张拉带来一些问题。当地的地下水位很高，接近于地表。如果满足上述要求，施工降水将会持续很长一段时间，基坑长时间不能回填会对上部壳体的施工带来很大的不便。经权衡之后，改为地面以下厚壳张张拉，基坑回填后，进行上部壳体的施工，待壳体全部施工完毕，经养护达到设计要求后再开始整体一次张拉。这样做会对壳体部分有效压力的建立有所减少。因此，通过理论计算后定为下部厚壳以上的壳体施工1.5m高度以后，才允许基础块体部分施加预应力以满足最终应力迭加的要求。
壳体部分预应力束的张拉按如下顺序。
绞线在壳体上每圈的编号为V12，V13，V14，…V112
张拉顺序为
V12，V14，V16，…V112(双号圈)
V13，V15，V17，…V111(单号圈)
每圈张拉分三点同步进行，用对讲机同步调度。张拉前对千斤顶油压表进行标定。张拉控制应力值按油压表读数及钢绞线伸长量双控。加荷顺序为
(1) 0→0.1σcon全部放松。调整绞线及弧形垫块之间间隙。
(2) 0→0.1σcon→0.5σcon→1.06con－持荷三分钟→千斤顶回油锚固。
为保证曲线预应力筋同时张拉时受力均匀，在整束张拉前对每根单束采取低荷载单根调整。
8．卵形消化池的经济效益
通过与常规的非预应力锥顶柱体的消化池比较，在相同的容积及污染处理效果下，可以得出以下的结果：
8.1 可节省建设用地25%，相同容积下柱体直径需28m，卵形体仅需24m；
8.2 卵形池体由于采用高强钢绞线预应力体系，可以充分利用结构材料的强度，从而节约用钢量12%左右；
8.3 卵形池体的设备搅拌效率高，但一次性设备投资有所增加；
8.4 在相同容积下，卵形体的表面积最小，因此热损失也最小，经常使用中能耗可节省25%。
8.5 卵形池体的土建施工难度大，施工费用高，但这种状况当形成定型型、批量建造时可大大的改善，施工费用可望降至与普通圆柱形池大体相同。
本工程单个池体的经济指标如下：
砼用量2600m3，相当于每立方有效容积砼用量为0.246m2；
钢筋用量295t，相当于每立方有效容积钢筋用量28kg。
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