张拉膜结构在污泥浓缩池加盖项目中的应用_董静祎.pdf

工工工工工工工工工工工工工工工工工工程程程程程程程程程程程程程程程程程程应应应应应应应应应应应应应应应应应应用用用用用用用用用用用用用用用用用用文章编号:1009-9441(2023)01-0030-03张拉膜结构在污泥浓缩池加盖项目中的应用 董静祎,朱晓章,王舸(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430070)摘 要:现有污水处理厂仍存在多种缺陷,其中以污泥浓缩池为代表的敞口污水处理构筑物气体污染问题尤为突出。张拉膜结构体系以其自身优点在污水处理厂加盖工程中得到广泛应用。结合某污水处理厂污泥浓缩池的加盖工程,复核张拉膜加盖后,原池体结构的截面、配筋及对已建水池结构安全的影响。关键词:污水处理厂;污泥浓缩池;张拉膜;有限元;配筋复核中图分类号:X 512 文献标识码:B引言工业生产及居民日常生活过程中会产生污染物含量过大、浓度过高的各类废水和污水,直接排放会降低水环境质量、溢出环境容量、破坏生态和影响正常的生产生活,甚至威胁民众的生命健康,因此,必须将污染源排出的各类水体进行人工强化处理,并采取措施改善水质以达到排放标准,实现合理的环境功能目标,尽可能地减少对水域环境的危害,消除污染物对生产生活的影响,而污水处理厂正是实现这些目标的关键一环1。随着我国生态文明建设及城市化进程的不断推进,对排水水质的要求越来越高,污水处理工艺不断精进的同时,也越来越关注传统污水处理厂存在的缺陷。污泥浓缩池是常规污水处理工艺中较为常见的处理构筑物,其通过污泥增稠来压缩污泥的体积、降低污泥的含水率,从而使其更便于后续运输及利用。传统的污泥浓缩池常为露天敞口布置如图 1 所示,因长时间储存污泥,气味难闻,对周围环境影响较大,为人诟病。现阶段,此类污泥浓缩池在我国的存量很大,为尽可能满足越来越高的环境质量要求,对已建池体进行加盖以掩盖刺激性气味是经济、可行和有效的处理方式。在众多加盖的结构体系中,造型多样、质量轻、施工方便快捷和环境影响小的张拉膜体系得到了快速的推广应用,如图 2 所示。此类张拉膜体系的支点需要固定在已建成的浓缩池池壁上,在风、雪等各类荷载作用下,必然会对图 1 污泥浓缩池图 2 张拉膜体系加盖原池体结构造成影响。水池原结构设计时并未考虑张拉膜加盖工况,因而在保证原结构安全的同时进行合理加盖尤为重要。现以某项目中 2 座已建污泥浓缩池的加盖为例,对张拉膜支点作用下的原池体结构进行设计复核,评估张拉膜体系对原池体结构安全的影响,同时提供此类工况下合理的结构计算方法,为后续的工程应用提供参考。1 项目概况某污水处理厂总规模为10.0 万 m3 d-1,采用多级 AO 工艺。厂区设污泥浓缩池 2 座,均为圆形池体,池体直径为 25 m,池体净高为 5.5 m,原设计为钢筋混凝土墙板结构,池壁厚度为 400 mm,底板厚度为 550 mm,原设计结构布置如图 3 和图 4 所示。该项目所在地抗震设防烈度为 6 度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度值为 0.05g。工程所在场地土类型为中软场地土,建筑场地类别为03Research&Application of Building MaterialsDOI:10.13923/14-1291/tu.2023.01.015图 3 平面布置图图 4 剖面布置图II 类。50 年一遇基本风压为0.35 kN m-2,地面粗糙度类别为 B 类;50 年一遇基本雪压为0.35 kN m-2。2 张拉膜支座反力计算张拉膜体系采用钢结构,计算软件采用同济大学3D3S 软件,考虑多遇地震影响,根据标准要求及相关设计依据,设置荷载作用、工况组合和计算模式,内力计算结果取包络组合设计结果,计算简图如图5 所示。图 5 张拉膜计算简图各支座处最大反力(弯矩、轴力)计算结果见表1。表 1 支座处最大反力支座节点号N1/kNN2/kNN3/kNM1/kN mM2/kN mM3/kN m12780-198.6-16.42.8001280198.60-16.402.8012820.0198.6-16.4-2.8001284-140.5-140.5-16.42.0-2.001286140.5140.4-16.4-2.02.001288140.5-140.5-16.42.02.001290-198.60-16.40-2.801292-140.5140.5-16.4-2.0-2.003 池体结构复核张拉膜柱脚支点设置在原池壁处如图 6 所示。张拉膜柱脚最大反力直接作用于池壁上,依据上述计算结果分析其对现状池体的影响。池体结构复核采用 Autodesk Robot Structural 图 6 张拉膜支座设置Analysis Professional 有限元软件,根据现阶段运营情况,工况组合分为正常使用工况(池内满水与张拉膜最大反力组合)和空池检修工况(池内无水与张拉膜最大反力组合)进行验算。3.1 计算结果分析读取有限元计算弯矩和轴力的内力云图如图7图10所示,取包络值复核原结构构件的截面尺寸和配筋。图 7 X 方向(水平)弯矩图 8 X 方向(水平)轴力图图 9 Y 方向(竖向)弯矩在张拉膜的柱底反力作用下,柱底与池壁连接部位有应力集中现象,其中池壁顶部水平方向轴力(压力)增大明显,该方向轴力的增大使得池壁顶部“套箍”作用明显,对壁板的变形及受力起有利作用;池壁中部水平方向轴力(拉力)增大 5070 kN,13建材技术与应用 1/2023图 10 Y 方向(竖向)轴力一定程度上增大了池壁中部的偏拉效应;池壁底部水平方向轴力无明显变化。相对而言,池壁竖向轴力并无明显变化,可不考虑其对原结构的影响。同时有限元计算结果表明,与张拉膜加盖前相比,加盖的主要影响集中在污泥浓缩池的池壁处,底板的水平及竖向弯矩和轴力并无较大变化,可不进行底板的设计复核。3.2 配筋复核根据有限元计算分析结果,污泥浓缩池采用张拉膜体系加盖后,增大了原池壁中部水平方向轴力(拉力),对原结构属于不利影响,需要对池壁中部重新进行偏拉验算,复核轴力增大后原壁板配筋是否满足承载能力极限状态及正常使用极限状态的相关要求2。工程中,裂缝验算合格几何尺寸较大的水池(如高水位、高埋深和长条状水池)也经常出现大量的竖向裂缝,除施工因素、材料因素及温度作用外,裂缝验算时忽略壁板轴向拉力的影响也是诱因之一3。原池体的结构竣工资料显示,池壁水平方向配筋为 d16 100,最外层钢筋保护层厚度为 35 mm。根据 Robot 计算结果,按偏心受拉计算壁板裂缝,在没有张拉膜的情况下,水平方向裂缝为 0.16 mm,0.20 mm,满足标准要求;在张拉膜加盖后的工况下,水平方向裂缝为 0.196 mm,0.20 mm,满足标准要求,但已接近标准限值。复核结果表明,张拉膜体系因其自重较小等特点,具有在污水处理厂敞口水池加盖工程中应用推广价值。同时,污泥浓缩池采用张拉膜体系加盖后,内力变化会对池壁顶部产生有利影响,对池壁中部产生不利影响,对池体的其余部位影响不大。其中,张拉膜体系对池壁中部的不利影响不可忽略,在池壁中部偏拉效应增大的情况下,需要严格按照标准限值重新复核原池壁配筋;对不满足标准要求的,需要采取池体加固和改变张拉膜支点布置等措施,在满足环境要求同时,保证原池体结构的安全。4 结语污水处理厂被称为“城市之肾”,在生态文明建设及城市化进程中承担着不可替代的作用,而传统污水处理厂存在的缺陷是今后污水处理设计及应用中重点关注的对象。加盖造型多样、质量轻、施工方便快捷和环境影响小的张拉膜体系是解决敞口污水处理构筑物气体污染问题的有效途径。以某污水处理厂污泥浓缩池为例,通过有限元分析结果表明张拉膜体系对原池体的受力状态的不利影响主要集中在池壁中部,此影响在设计应用中不可忽略。在张拉膜体系的推广应用过程中,不可忽视其对原结构安全的影响。参考文献:1 朱峰.国内外地下式污水厂发展现状及其启示J.城市道桥与防洪,2015,(12):62-65,71,10.2 CECS 1382002,给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程S.北京:中国建筑工业出版社,2002.3 陆根苇.大型钢筋混凝土水池池壁非荷载因素下裂缝研究D.成都:西华大学,2017.Application of Tension Membrane Structure in Sludge Thickening Tank Covering ProjectDONG Jing-yi,ZHU Xiao-zhang,WANG Ge(Central&Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei,430070,China)Abstract:There are many defects in existing sewage treatment plants,especially the gas pollution of open sewage treatment structures represented by sludge enrichment ponds.Tensioned membrane structure system has been widely used in sewage treatment plant capping project for its own advantages.Tensioned membrane structure system has been widely used in sewage treatment plant capping project for its own advantages.Combined with the capping project of sludge enrichment pool in a sewage treatment plant,the section and reinforcement of the original pool structure and its influence on the safety of the existing pool structure were reviewed after the tensioning membrane was covered.Key words:sewage treatment plant;sludge thickening tank;tension membrane;finite element;reinforcement review作者简介:董静祎(1991-),女,湖北武汉人,工程师,硕士,2016 年 6 月硕士研究生毕业于武汉理工大学建筑与土木工程专业,现从事市政结构设计方面的工作。收稿日期:2022-06-10(编辑 李江华)23Research&Application of Building Materials