预应力卵形消化池设计

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。

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。