大型無伸縮縫縱向預應力矩形水池的製作方法
2023-09-27 06:01:35 2
專利名稱：大型無伸縮縫縱向預應力矩形水池的製作方法
技術領域：
本發明屬於用縱向無粘結預應力取消大型鋼筋混凝土地上矩形水池伸縮縫並同時克服高位水壓及溫溼差效應的一種方法。
目前使用的地上矩形水池均為＃250以上的鋼筋混凝土水池，抗滲標號為S4～S8，並根據規範要求，不超過20米設置一道伸縮縫。經了解，現有市政和石化系統的鋼筋混凝土地上矩形水池，凡長度超過20米(有的甚至才18米)者，沒有不開裂與不滲漏的。其主要原因是1、正常使用期間，池壁內外溫差與池壁中面季節溫差綜合作用引起的池壁開裂。煉油廠汙水處理場冬季池內汙水溫度一般控制在30～35℃，最高可達80℃，如焦化裝置的焦碳冷卻水隔油沉澱池;而冬季大氣溫度很低，北方更低，兩者溫差越大，越容易產生池壁混凝土的豎向裂縫。
2、在施工過程或交付給廠方後長期空池，尤其在冬季，凡長度超過18米或20米而未留伸縮縫者，由於池壁中面溼差(幹縮)與溫差的綜合作用，均在池壁中部產生貫通的豎向裂縫。
3、伸縮縫的滲漏問題。石化系統的矩形水池幾乎都超過20米，凡留伸縮縫者，由於汙水中的油質及其他化學成份對止水帶的腐蝕與老化作用，經過一段時間的使用均滲漏。
汙水處理池的開裂與止水帶的損壞導致汙水洩漏，造成環境汙染，嚴重影響生產。再者，伸縮縫的設置對水池的整體剛度有很大削弱，對抵抗地震作用極為不利，而我國百分之六十以上的地區屬多發性地震區。故石化系統的廠方都有不設伸縮縫與池壁不裂或裂縫控制在0.1毫米寬度以下的強烈要求。
為了了解國內外用縱向預應力來解決水池開裂與滲漏的做法，檢索結果提供了四篇與本發明專利申請有關的技術背景文獻US2，185，749，US2，326，010，US3，824，751，EPO，207，337，均為後張預應力鋼筋混凝土圓形水池。
隨著預應力的出現與發展，如US2，185，749和US2，326，010所述，首先出現了鋼杆呈環狀埋設在小型整體現澆鋼筋混凝土圓形水池池壁中，或設置在池壁外皮，張拉結束後再噴漿封閉。其後張拉手段均通過擰緊聯接環型鋼杆的花籃螺栓給圓型池壁施加預應力。70年代，US3，824，751提出將圓形水池的大塊預製壁板安裝就位後進行自身單獨張拉，板與板之間的縫槽，用預埋作為承壓板的L型鋼進行對焊，再二次澆灌混凝土的方案。到80年代後期，EPO，207，337，提出利用工廠預製定型的池壁壁板構件組裝成任意直徑的圓型水池，在壁板構件的預留孔中穿預力筋，然後張拉成整體。上述四項專利均屬於圓型水池。眾所周知，圓型水池與矩形水池比較，具有良好的受力性能，且受力明確，有比較精確的計算理論。特別是在水壓、溫溼差作用下，由於自約束作用，基本上均轉換成環向軸拉力，而相應的環向彎曲應力較小。其中US2，185，749和US2，326，010均屬於小直徑圓型水池，所用後張預應力鋼杆也是低強度的。從某種意義來講，對於小直徑整體現澆鋼筋混凝土圓型水池，只要截面與配筋率選擇適當，既使不用預應力，也能做到不裂不漏。US3，824，751是一種裝配式後張預應力構件與鋼結構的組合結構;EPO，207，337可以說是一個比較先進的裝配式整體後張有粘結預應力圓型水池，較之我國七十年代的裝配式繞絲預應力圓型水池又改進了很大一步，但由於在預應力筋孔中灌漿困難的問題，其作用又較無粘結預應力差。
總之，上述四項專利所述的都是圓形水池，也都未涉及用環向預應力來同時克服水壓的問題，仍處於水壓靠池壁自身強度來克服，則池壁厚度降不下來，相應的環向預應力筋數量即隨之增多，不能達到一功多能的最佳經濟效果。
而本發明適用於特定工藝要求的矩形全地上水池，是一種特殊的空間結構，其受力性能不如圓型水池，自身約束與外界條件的約束影響十分複雜。特別是正交池壁處的邊界條件影響是圓型水池所沒有的。在池壁內外溫差作用下能產生極大的彎曲應力，且計算理論仍近於近似範疇，各項計算數據都需進一步積累與確定。而且從宏觀上看矩形水池的開裂與滲漏均較圓形水池容易、嚴重。然而，一是由於市政和石化系統等特定的工藝要求，二是由於鋼模的使用，使矩形水池的施工較圓型水池容易，施工速度快，故國內新建的大型水池中矩形水池大大多於圓型水池，但如前所述，長期存在的開裂、滲漏問題一直未能解決，針對此問題生產廠家提出了強烈的要求。
本發明的目的就在於提供取消大型鋼筋混凝土地上矩形水池伸縮縫，同時一次性解決由水壓與溫、溼差效應引起的開裂、滲漏問題的方法。
為達到上述目的，本發明利用縱向預應力來取消伸縮縫;同時，利用一定間距的扶壁作用，有意識地將池壁單向受力變成雙向受力，使絕大部分水壓的作用方向與池壁內外溫差，中面季節溫差及溼差引起的應力作用方向相協調;通過合理布置縱向拋物線波型無粘結預應力筋，一次性平衡高位水壓與溫溼差效應，從而取得最佳經濟效果。
建立有效預應力Fe1的最不利工況組合是冬季空池狀態的池壁中面季溫差效應+中面溼差效應(幹縮)+有效預壓力。有效預應力Fe1的確定除考慮正常的應力損失外，還需考慮底板對縱向預壓力建立的約束影響，其與壁基構造及底板剛度有關，最大處可達30～50%;正交池壁與隔牆對予壓力建立的約束影響取5～10%。當池壁長度超過50米，宜留施工縫分段張拉，以避免過大的摩擦損失。
合理、經濟的扶壁間距與池壁厚度、混凝土標號、豎向非予應力鋼筋直徑及其含鋼率等諸因素有關，最經濟的扶壁間距L。應該是2倍池壁本身所能承受的最大水壓高度，扶壁間距過大或過小都不經濟。
扶壁帶剛度與池壁剛度之比沿池壁高度宜控制在2.5～5，在縱向預應力作用下，扶壁的剛度分配計算截面是T型截面，所以宜將適當的扶壁非預應力受力主筋布置在一定的翼緣寬度內，且主筋間距宜逐漸增大。
在地基比較好和情況下，扶壁基礎與池壁壁基可做成同一斷面，考慮整體共同工作;應該根據具體情況考慮一定程度的應力重分布，不需專門增設巨型反梁。
在縱向拋物線波型預應力筋的布置中，要根據其它兩種最不利工況組合來合理確定有效預應力Fe2與上下矢高;即，冬季最冷時正常操作狀態下扶壁間池壁中部截面應驗算(水壓+池壁內外溫差+中面季節溫差+預應力等效荷載)，當池壁外壁面溫度低於-5℃時，取-5℃;夏季池壁內外溫差等於零時，正常操作狀態下扶壁邊緣截面應驗算(水壓+預應力等效荷載);對於地處我國華東、中南等冬季溫度較高，且比較乾燥的地區，水溫較低的矩形水池，同時還應驗算扶壁間池壁中部截面的水壓+池壁內外壁面溼差+預應力等效荷載。
其最後有效設計預應Fe的取值，應在Fe1與Fe2兩者中取較大者，同時必須再進行預應力張拉結束瞬間狀態下各截面應力的驗算。此時的預應力值為Fe在未扣除與時間有關的應力損失的相應值。
其反彎點距扶壁中心距離l宜控制為l＝( 1/15 ～ 1/8 )扶壁間距Lo，以避免預應力的平衡剪力與水壓同向，增大扶壁的受力。
拋物線波型是水平向的，而無粘結預應力鋼絲束與鋼絞線相對其長度來講是無剛度的，鋪設時宜採用矢高點與反彎點的固定器與水平架立棍來保證。
本發明由於用縱向無粘結預應力筋一次性克服高位水壓與溫溼差的綜合效應，成功地取消了伸縮縫，阻止了裂縫出現或有效地控制了裂縫寬度，從根本上防止了鋼筋混凝土地上矩形水池的滲漏，消除了汙染，保證了正常的文明生產。同時由於節省了大量的混凝土和鋼筋，省去伸縮縫止水帶和相應的UEA膨脹劑、氰凝防水材料等，而所耗的無粘結預應力筋很少，則節省了投資。再則，由於杜絕了滲漏，也為給排水工藝合理布局，將水池及其相應設施由地下或半地下改成全地上創造了技術條件，可節省大量地下工程投資，亦便於檢修。同時，由於伸縮縫的取消，給地震區的水池創造了良好的抗震剛度。
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步地說明
圖1是本發明地上矩形水池的平面2是本發明地上矩形水池的剖面3是拋物線波型預應力筋平面示意4是預應力筋布置示意5是張拉端錨具大樣圖大型地上矩形水池的結構如圖1、圖2所示，(1)為水池底板，(2)為水池的壁基，(3)為水池的縱向池壁，(4)為池壁頂圈梁，(5)為橫向池壁，(6)為縱隔牆，(7)為橫隔牆，(8)為受力扶壁，(9)為裝飾扶壁，(10)為轉角封閉扶壁。
拋物線波型預應力筋平面布置如圖(3)所示，(11)為縱向拋物線波型無粘結預應力筋，(17)為橫向拋物線波型無粘結預應力筋，(19)為拋物線波型無粘結預應力筋的矢高點，(20)為拋物線波型無粘結預應力筋的反彎點。
本發明根據池壁在控制水平裂縫寬度小於0.1mm時所能承擔的豎向水壓高度來確定最佳扶壁間距，其餘絕大部分水壓均以扶壁為邊界條件轉變成水平向承受水壓，這樣就可以通過合理地布置拋物線波型預應力鋼絞線或鋼絲束(11)和(17)，張拉後建立相對應的彎曲壓應力，軸向壓應力與預壓應變，一次性平衡由高位水壓與溫溼差綜合產生的彎曲拉應力，軸向拉應力及拉應變。反過來說，也正因為有了扶壁，才保證了預應力筋的波型布置與平衡彎矩的建立。
如圖4所示，無粘結筋沿池壁高度的分布是根據水壓、池壁內外溫差與池壁中面季節溫溼差的綜合效應大小來布置的，應該注意的是，在池壁頂部1米的圈梁範圍內。由於無水壓、池壁內外溫差很小，但中面季節溫差變化顯著，故只需配置直線型無粘結預應力筋(12)和(18);其他位置則需配置拋物線型無粘結預應力筋(11)和(17);而且在池壁根部，由於壁基與底板的約束效應，使壓應力建立衰減40～50%，同時該部分水平向承受的水壓趨向於零，且溫溼差效應也隨邊界條件影響呈衰減狀，故預應力筋分布得相對稀疏。
無粘結預應力筋可以是由多股高強度鋼絲組成的鋼絲束，也可以是用多股高強度飲絲扭結而成的鋼鉸線、並通過防鏽、防腐潤滑油脂等塗層包裹塑料套管構成。
張拉端錨具裝置大樣如圖5，施工順序為確保無粘結筋拋物線波型矢高點(19)和反彎點(20)的位置符合設計要求，並整根預應力筋保持在同一水平高度後，則可封端模、穿孔、預埋承壓板(13)與螺旋筋(14)，並將無粘結預應力筋穿過螺旋筋，承壓板與端模的預留孔洞即可澆灌混凝土;當混凝土強度達到70%時，即可張拉。張拉前必須將外露無粘結筋之塑料套管剝去，套入錨杯(15)，塞入夾片(16)方可張拉。張拉結束後必須將多股高強鋼絲分散弄彎封閉在後澆的轉角封閉扶壁(10)中。
根據本發明設計施工，進行試驗測試的北方某煉油廠汙水處理場1號和2號曝氣池(48m×19m×6m，δ＝250mm)，並通過對埋在1號池壁內46支鋼筋應力計，10支傳感器進行不同工況的28批測試，共測得2000多個數據，從數據分折得出，即便在最冷時節，在高位水壓以及池壁內外溫差與中面季節溫差及溼差的綜合作用下，全池壁基本上處於受壓狀態及局部低拉應力狀態，達到設計要求，從宏觀上看也未出現任何裂縫。特別是在1991年2月，由於廠方未能及時將恆溫水注滿各池，結果出現了中面季節溫差與溼差(乾濕)的最不利組合效應，同期施工的隔油池(32m×16m×3m)與浮選池(32m×19m×3.1m)都摻了一定量的UEA膨脹劑而未設伸縮縫，在最冷的一天(-13℃)，同時都在32米長的池壁中部出現豎向貫通裂縫;而唯獨48米長的試驗曝氣池預應力壁未出現任何裂縫，說明預應力筋的作用恰到好處，採用本發明進行設計與施工的水池是成功的。
權利要求
1.一種大型鋼筋混凝土地上矩形水池，由底板(1)、壁基(2)、縱向池壁(3)、橫向池壁(5)、池壁頂圈梁(4)、縱隔牆(6)、橫隔牆(7)和扶壁(8)等組成，其特徵在於利用縱向預應力來取消伸縮縫；同時利用一定間距的扶壁作用，有意識地將池壁單向受力變成雙向受力，使絕大部分水壓的作用方向與池壁內外溫差，中面季節溫差及溼差引起的應力作用方向相協調；通過合理布置縱向拋物線波型無粘結預應力筋，一次性平衡高位水壓與溫、溼差效應。
2.如權利要求1所述的大型鋼筋混凝土地上矩形水池，其特徵在於有效預應力Fe1的確定除考慮正常的應力損失外，還需考慮底板對縱向預壓力建立的約束影響，最大處可達30～50%;正交池壁與隔牆對預壓力建立的約束影響取5～10%;當池壁長度超過50米時，宜留施工縫分段張拉，以避免過大的摩擦損失。
3.如權利要求1所述的大型鋼筋混凝土地上矩形水池，其特徵在於最經濟的扶壁間距L0是2倍池壁本身所能承受的最大水壓高度。
4.如權利要求1所述的大型鋼筋混凝土地上矩形水池，其特徵在於扶壁帶剛度與池壁剛度之比沿池壁高度宜控制在2.5～5，在縱向預應力作用下，扶壁的剛度分配計算截面是T型截面，宜將適當的扶壁非預應力受力主筋布置在一定的翼緣寬度內，且主筋間距宜逐漸增大。
5.如權利要求1所述的大型鋼筋混凝土地上矩形水池，其特徵在於在地基比較好的情況下，扶壁基礎與池壁壁基可做成同一斷面，考慮整體共同工作;應該根據具體情況考慮一定程度的應力重分布，不需專門增設巨型反梁。
6.如權利要求1所述的大型鋼筋混凝土地上矩形水池，其特徵在於在縱向拋物線波型預應力筋的布置中，要根據最不利工況組合確定有效預應力Fe2與上下矢高，其最後有效設計預應力Fe的取值，應在Fe1與Fe2兩者中取較大者，同時必須用Fe所相應的未扣除與時間有關的應力損失的值再進行預應力張拉結束瞬間狀態下各截面應力的驗算。
7.如權利要求1所述的大型鋼筋混凝土地上矩形水池，其特徵在於其反彎點距扶壁中心距離l宜控制為l＝( 1/15 ～ 1/8 )扶壁間距Lo，以避免預應力的平衡剪力與水壓同向，增大扶壁的受力。
8.如權利要求1所述的大型鋼筋混凝土地上矩形水池，其特徵在於拋物線波型是水平向的，而無粘結預應力鋼絲束與鋼絞線相對其長度來講是無剛度的，鋪設時宜採用矢高點與反彎點的固定器與水平架立棍來保證。
9.如權利要求1所述的大型鋼筋混凝土地上矩形水池，其特徵在於無粘結預應力筋可以是由多股高強度鋼絲組成的鋼絲束，也可以是用多股高強度鋼絲扭結而成的鋼絞線，並通過防鏽、防腐潤滑油脂等塗層包裹塑料套管構成。
全文摘要
一種整體現澆鋼筋混凝土後張縱向無粘結預應力的大型無伸縮縫地上矩形水池。利用一定間距的扶壁作用，有意識地將池壁單向受力變成雙向受力，使絕大部分水壓的作用方向與池壁內外溫差，中面季節溫差及溼差引起的應力作用方向相協調；通過合理布置縱向拋物線波型無粘結預應力筋，一次性平衡高位水壓與溫、溼差效應。因而具有取消伸縮縫，堵絕滲漏以及節省投資等特點。
文檔編號E04H4/02GK1078528SQ9210318
公開日1993年11月17日 申請日期1992年5月13日 優先權日1992年5月13日
發明者高立人, 張立成, 巫敏齡 申請人:中國石油化工總公司北京設計院