CN1059485C - 大型无伸缩缝纵向预应力矩形水池 - Google Patents
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Abstract
一种整体现浇钢筋混凝土后张纵向无粘结预应力的大型无伸缩缝地上矩形水池。利用一定间距的扶壁作用，有意识地将池壁单向受力变成双向受力，使绝大部分水压的作用方向与池壁内外温差，中面季节温差及温差引起的应力作用方向相协调；通过合理布置纵向抛物线波型无粘结预应力筋，一次性平衡高位水压与温、湿差效应。因而具有取消伸缩缝，堵绝渗漏以及节省投资等优点。
Description
本发明属于用纵向无粘结预应力取消大型钢筋混凝土地上矩形水池伸缩缝并同时克服高位水压及温湿差效应的一种方法。
目前使用的地上矩形水池均为#250以上的钢筋混凝土水池，抗渗标号为S4～S8，并根据规范要求，不超过20米设置一道伸缩缝。经了解，现有市政和石化系统的钢筋混凝土地上矩形水池，凡长度超过20米(有的甚至才18米)者，没有不开裂与不渗漏的。其主要原因是：
1、正常使用期间，池壁内外温差与池壁中面季节温差综合作用引起的池壁开裂。炼油厂污水处理场冬季池内污水温度一般控制在30～35℃，最高可达80℃，如焦化装置的焦碳冷却水隔油沉淀池；而冬季大气温度很低，北方更低，两者温差越大，越容易产生池壁混凝土的竖向裂缝。
2、在施工过程或交付给厂方后长期空池，尤其在冬季，凡长度超过18米或20米而未留伸缩缝者，由于池壁中面湿差(干缩)与温差的综合作用，均在池壁中部产生贯通的竖向裂缝。
3、伸缩缝的渗漏问题。石化系统的矩形水池几乎都超过20米，凡留伸缩缝者，由于污水中的油质及其他化学成份对止水带的腐蚀与老化作用，经过一段时间的使用均渗漏。
污水处理池的开裂与止水带的损坏导致污水泄漏，造成环境污染，严重影响生产。再者，伸缩缝的设置对水池的整体刚度有很大削弱，对抵抗地震作用极为不利，而我国百分之六十以上的地区属多发性地震区。故石化系统的厂方都有不设伸缩缝与池壁不裂或裂缝控制在0.1毫米宽度以下的强烈要求。
为了了解国内外用纵向预应力来解决水池开裂与渗漏的做法，检索结果提供了四篇与本发明专利申请有关的技术背景文献US2,185,749，US2,326,010，US3,824,751，EP0,207,337，均为后张预应力钢筋混凝土圆形水池。
随着预应力的出现与发展，如US2,185,749和US2,326,010所述，首先出现了钢杆呈环状埋设在小型整体现浇钢筋混凝土圆形水池池壁中，或设置在池壁外皮，张拉结束后再喷浆封闭。其后张拉手段均通过拧紧联接环型钢杆的花篮螺栓给圆型池壁施加预应力。70年代，US3,824,751提出将圆形水池的大块预制壁板安装就位后进行自身单独张拉，板与板之间的缝槽，用预埋作为承压板的L型钢进行对焊，再二次浇灌混凝土的方案。到80年代后期，EP0,207,337，提出利用工厂预制定型的池壁壁板构件组装成任意直径的圆型水池，在壁板构件的预留孔中穿预力筋，，然后张拉成整体。上述四项专利均属于圆型水池。众所周知，圆型水池与矩形水池比较，具有良好的受力性能，且受力明确，有比较精确的计算理论。特别是在水压、温湿差作用下，由于自约束作用，基本上均转换成环向轴拉力，而相应的环向弯曲应力较小。其中US2,185,749和US2,326,010均属于小直径圆型水池，所用后张预应力钢杆也是低强度的。从某种意义来讲，对于小直径整体现浇钢筋混凝土圆型水池，只要截面与配筋率选择适当，既使不用预应力，也能做到不裂不漏。US3,824,751是一种装配式后张预应力构件与钢结构的组合结构；EP0,207,337可以说是一个比较先进的装配式整体后张有粘结预应力圆型水池，较之我国七十年代的装配式绕丝预应力圆型水池又改进了很大一步，但由于在预应力筋孔中灌浆困难的问题，其作用又较无粘结预应力差。
总之，上述四项专利所述的都是圆形水池，也都未涉及用环向预应力来同时克服水压的问题，仍处于水压靠池壁自身强度来克服，则池壁厚度降不下来，相应的环向预应力筋数量即随之增多，不能达到一功多能的最佳经济效果。
而本发明适用于特定工艺要求的矩形全地上水池，是一种特殊的空间结构，其受力性能不如圆型水池，自身约束与外界条件的约束影响十分复杂。特别是正交池壁处的边界条件影响是圆型水池所没有的。在池壁内外温差作用下能产生极大的弯曲应力，且计算理论仍近于近似范畴，各项计算数据都需进一步积累与确定。而且从宏观上看矩形水池的开裂与渗漏均较圆形水池容易、严重。然而，一是由于市政和石化系统等特定的工艺要求，二是由于钢模的使用，使矩形水池的施工较圆型水池容易，施工速度快，故国内新建的大型水池中矩形水池大大多于圆型水池，但如前所述，长期存在的开裂、渗漏问题一直未能解决，针对此问题生产厂家提出了强烈的要求。
本发明的目的就在于提供取消大型钢筋混凝土地上矩形水池伸缩缝，同时一次性解决由水压与温、湿差效应引起的开裂、渗漏问题的方法。
为达到上述目的，本发明利用纵向预应力来取消伸缩缝；同时，利用一定间距的扶壁作用，有意识地将池壁单向受力变成双向受力，使绝大部分水压的作用方向与池壁内外温差，中面季节温差及湿差引起的应力作用方向 相协调；通过合理布置纵向抛物线波型无粘结预应力筋，一次性平衡高位水压与温湿差效应，从而取得最佳经济效果。
建立有效预应力Fe1的最不利工况组合是冬季空池状态的池壁中面季温差效应+中面湿差效应(干缩)+有效预压力。有效预应力Fel的确定除考虑正常的应力损失外，还需考虑底板对纵向预压力建立的约束影响，其与壁基构造及底板刚度有关，最大处可达30～50％；正交池壁与隔墙对予压力建立的约束影响取5～10％。当池壁长度超过50米，宜留施工缝分段张拉，以避免过大的摩擦损失。
合理、经济的扶壁间距与池壁厚度、混凝土标号、竖向非予应力钢筋直径及其含钢率等诸因素有关，最经济的扶壁间距L。应该是2倍池壁本身所能承受的最大水压高度，扶壁间距过大或过小都不经济。
扶壁带刚度与池壁刚度之比沿池壁高度宜控制在2.5～5，在纵向预应力作用下，扶壁的刚度分配计算截面是T型截面，所以宜将适当的扶壁非预应力受力主筋布置在一定的翼缘宽度内，且主筋间距宜逐渐增大。
在地基比较好和情况下，扶壁基础与池壁壁基可做成同一断面，考虑整体共同工作；应该根据具体情况考虑一定程度的应力重分布，不需专门增设巨型反梁。
在纵向抛物线波型预应力筋的布置中，要根据其它两种最不利工况组合来合理确定有效预应力Fe2与上下矢高；即，冬季最冷时正常操作状态下扶壁间池壁中部截面应验算：(水压+池壁内外温差+中面季节温差+预应力等效荷载)，当池壁外壁面温度低于-5℃时，取-5℃；夏季池壁内外温差等于零时，正常操作状态下扶壁边缘截面应验算：(水压+预应力等效荷载)；对于地处我国华东、中南等冬季温度较高，且比较干燥的地区，水温较低的矩形水池，同时还应验算扶壁间池壁中部截面的水压+池壁内外壁面湿差+预应力等效荷载。
其最后有效设计预应Fe的取值，应在Fe1与Fe2两者中取较大者，同时必须再进行预应力张拉结束瞬间状态下各截面应力的验算。此时的预应力值为Fe在未扣除与时间有关的应力损失的相应值。
其反弯点距扶壁中心距离l宜控制为
扶壁间距Lo，以避免预应力的平衡剪力与水压同向，增大扶壁的受力。
抛物线波型是水平向的，而无粘结预应力钢丝束与钢绞线相对其长度来讲是无刚度的，铺设时宜采用矢高点与反弯点的固定器与水平架立棍来保证。
本发明由于用纵向无粘结预应力筋一次性克服高位水压与温湿差的综合效应，成功地取消了伸缩缝，阻止了裂缝出现或有效地控制了裂缝宽度，从根本上防止了钢筋混凝土地上矩形水池的渗漏，消除了污染，保证了正常的文明生产。同时由于节省了大量的混凝土和钢筋，省去伸缩缝止水带和相应的UEA膨胀剂、氰凝防水材料等，而所耗的无粘结预应力筋很少，则节省了投资。再则，由于杜绝了渗漏，也为给排水工艺合理布局，将水池及其相应设施由地下或半地下改成全地上创造了技术条件，可节省大量地下工程投资，亦便于检修。同时，由于伸缩缝的取消，给地震区的水池创造了良好的抗震刚度。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步地说明：
图1是本发明地上矩形水池的平面图
图2是本发明地上矩形水池的剖面图
图3是抛物线波型预应力筋平面示意图
图4是预应力筋布置示意图
图5是张拉端锚具大样图
大型地上矩形水池的结构如图1、图2所示，(1)为水池底板，(2)为水池的壁基，(3)为水池的纵向池壁，(4)为池壁顶圈梁，(5)为横向池壁，(6)为纵隔墙，(7)为横隔墙，(8)为受力扶壁，(9)为装饰扶壁，(10)为转角封闭扶壁。
抛物线波型预应力筋平面布置如图(3)所示，(11)为纵向抛物线波型无粘结预应力筋，(17)为横向抛物线波型无粘结预应力筋，(19)为抛物线波型无粘结预应力筋的矢高点，(20)为抛物线波型无粘结预应力筋的反弯点。
本发明根据池壁在控制水平裂缝宽度小于0.1mm时所能承担的竖向水压高度来确定最佳扶壁间距，其余绝大部分水压均以扶壁为边界条件转变成水平向承受水压，这样就可以通过合理地布置抛物线波型预应力钢绞线或钢丝束(11)和(17)，张拉后建立相对应的弯曲压应力、轴向压应力与预压应变，一次性平衡由高位水压与温湿差综合产生的弯曲拉应力，轴向拉应力及拉应变。反过来说，也正因为有了扶壁，才保证了预应力筋的波型布置与平衡弯矩的建立。
如图4所示，无粘结筋沿池壁高度的分布是根据水压、池壁内外温差与池壁中面季节温湿差的综合效应大小来布置的，应该注意的是，在池壁顶部1米的圈梁范围内。由于无水压、池壁内外温差很小，但中面季节温差变化显著，故只需配置直线型无粘结预应力筋(12)和(18)；其他位置则需配置抛物线型无粘结预应力筋(11)和(17)；而且在池壁根部，由于壁基与底板的约束效应，使压应力建立衰减40～50％，同时该部分水平向承受的水压趋向于零，且温湿差效应也随边界条件影响呈衰减状，故预应力筋分布得相对稀疏。
无粘结预应力筋可以是由多股高强度钢丝组成的钢丝束，也可以是用多股高强度饮丝扭结而成的钢铰线、并通过防锈、防腐润滑油脂等涂层包裹塑料套管构成。
张拉端锚具装置大样如图5，施工顺序为在确保无粘结筋抛物线波型矢高点(19)和反弯点(20)的位置符合设计要求，并整根预应力筋保持在同一水平高度后，则可封端模、穿孔、预埋承压板(13)与螺旋筋(14)，并将无粘结预应力筋穿过螺旋筋，承压板与端模的预留孔洞即可浇灌混凝土；当混凝土强度达到70％时，即可张拉。张拉前必须将外露无粘结筋之塑料套管剥去，套入锚杯(15)，塞入夹片(16)方可张拉。张拉结束后必须将多股高强钢丝分散弄弯封闭在后浇的转角封闭扶壁(10)中。
根据本发明设计施工，进行试验测试的北方某炼油厂污水处理场1号和2号曝气池(48m×19m×6m，δ＝250mm)，并通过对埋在1号池壁内46支钢筋应力计，10支传感器进行不同工况的28批测试，共测得2000多个数据，从数据分折得出，即便在最冷时节，在高位水压以及池壁内外温差与中面季节温差及湿差的综合作用下，全池壁基本上处于受压状态及局部低拉应力状态，达到设计要求，从宏观上看也未出现任何裂缝。特别是在1991年2月，由于厂方未能及时将恒温水注满各池，结果出现了中面季节温差与湿差(干湿)的最不利组合效应，同期施工的隔油池(32m×16m×3m)与浮选池(32m×19m×3.1m)都掺了一定量的UEA膨胀剂而未设伸缩缝，在最冷的一天(-13℃)，同时都在32米长的池壁中部出现竖向贯通裂缝；而唯独48米长的试验曝气池预应力壁未出现任何裂缝，说明预应力筋的作用恰到好处，采用本发明进行设计与施工的水池是成功的。
Claims (4)
1.一种大型钢筋混凝土地上矩形水池，由底板(1)、壁基(2)、纵向池壁(3)、横向池壁(5)、池壁顶圈梁(4)、纵隔墙(6)、横隔墙(7)和扶壁(8)等组成，其特征在于利用纵向(即水平向)预应力来取消缩缝；同时利用一定间距的扶壁作用，有意识地将池壁单向受力变成双向受力，使绝大部分水压的作用方向与池壁内外温差，中面季节温差及湿差引起的应力用作方向相协调；通过合理布置纵向抛物线波型无粘结预应力筋，一次性平衡高位水压与温、湿差效应。
2.如权利要求1所述的大型钢筋混凝土地上矩形水池，其特征在于扶壁刚度与池壁刚度之比沿池壁高度宜控制在2.5～5。
3.如权利要求1所述的大型钢筋混凝土地上矩形水池，其特征在于在地基比较好的情况下，扶壁基础与池壁壁基可做成同一断面，考虑整体共同工作；应该根据具体情况考虑一定程度的应力重分布，不需专门增设巨型反梁。
4.如权利要求1所述的大型钢筋混凝土地上矩形水池，其特征在于抛物线波型是水平向的。
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