无粘结预应力在圆形水池结构中的应用

无粘结预应力在圆形水池结构中的应用

摘要：简单介绍了无粘结预应力技术在圆形水池结构设计中的应用。通过成都龙泉驿区平安污水处理厂二沉池的工程实例详细介绍了无粘结预应力无温度伸缩缝圆形水池的设计，以及无缝水池在经济性、耐久性以及抗震性等方面的优点。

关键词：温度伸缩缝；无粘结预应力；钢绞线；预应力锚具；应力架

随着我国经济的持续快速发展和人们生活水平的不断提高，生产和生活用水量将大幅增加。同时，污水处理量也将大幅提高。污水处理工程中的吸附沉淀池、二沉池、曝气池等构筑物的容积将越来越大。当圆形水池容积超过3000m3时，若按常规设计，水池直径过大，水压力和温度应力对池壁产生了过大的环拉力，会导致设计池壁过厚而不经济；若采用装配式预应力池壁，则施工质量难以保证，而且水池整体性差、抗震性能较差、结构耐久性差；若采用绕丝及电热张拉法的预应力水池，对钢丝的防锈蚀处理不易，且绕丝机所能建立的预应力吨位有限，对容量较大或液压产生的环拉力较大的圆形水池应慎用；若采用有粘结预应力工艺，则施工工序较为复杂，有粘结的摩擦损失较大，有效预应力值偏低，钢筋用量较高。

为了解决上述问题并提高水池的耐久性，我们应用了无粘结预应力技术。

1 无粘结预应力技术的应用

随着国家经济的发展和科学技术的不断进步，无粘结预应力技术在圆形构筑物中应用得越来越成熟。它的工艺原理是：在绑扎构筑物池壁或桶身钢筋的同时，将预应力筋按设计要求逐环固定在模板内，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度后，利用无粘结预应力筋与混凝土不粘结、可滑动的特点，在两端头进行张拉，再利用锚具将钢绞线固定于端头的锚固板上，用混凝土封闭锚固端，从而达到对圆形构筑物产生预压应力的效果，就像给木水桶加了钢箍一样。无粘结预应力技术在圆形水池中应用的优点：

(1)给混凝土施加预应力后，水池的整体性和抗震性能得到加强；

(2)使用预应力筋解决了温度应力问题，不需设伸缩缝，也从根本上解决了水池裂缝问题；

(3)由于混凝土被施加预应力以后，混凝土本身受压，其抗渗性能也大大提高，而且水池的耐久性也大大提高了。这种无缝设计不仅可以节约水资源，也从根本上解决水池渗漏问题，同时可以节省大量的维护管理费用。

(4)与普通的后张法和绕丝及电热张拉法比较，工艺方法简单，摩擦损失小，减少了施工工序和施工设备的投入量。

(5)经济效益明显，当水池容量超过3000m3时，使用无粘结预应力技术可以节省较多建设资金。与普通钢筋混凝土水池相比，池壁厚度大大减小，可以节省15％～35％的混凝土及30％～50％的普通钢筋用量。

2 工程实例

本文仅对成都龙泉驿区平安污水处理厂二沉池(直径72.3m，高5.61m)的设计作一详细介绍。设计过程中需要解决温度应力、伸缩缝、裂缝和工程造价等问题。

2.1 设计前期考虑3个方案

(1)设置混凝土后浇带，后浇带砼待其两侧混土浇筑完毕后2个月左右再进行浇注。但后浇带只能解决施工期间混凝土的收缩问题，并不能解决季节温差(湿差)所产生的温度应力问题。对于水池类结构，随着时间的延续，后浇带很难确保池体混凝土不发生开裂、渗水。

(2)采用膨胀加强带，在混凝土中掺加膨胀剂，目的就是在混凝土中产生膨胀应力。其产生的膨胀应力值是有限的，也就是说超过一定的界限就起不到应有的作用。而且，膨胀剂的效用与水泥的品牌、矿物成分、性能及施工等多种因素有关，在养护条件差的环境中，膨胀剂也不一定能起到抗裂的作用。

(3)使用无粘结预应力钢绞线来解决温度应力问题。本工程地基土为软弱土，土质较差，我们进行了碎石桩的地基处理，地基对水池的摩擦力较大，而且池底为锥型，池内水温在34℃左右，水池容量超过了3000m3，从这些特点来分析，又综合上述3个方案，最终选择了池底板使用第二方案，池壁使用第三方案。

2.2 方案确定后若干设计问题的处理

(1)圆形水池池壁设计需要完成：

1)计算假定：本工程二沉池按圆柱壳计算竖向受力和环向受力。

2)材料选用：按规程CECSl38：2002，预应力水池选用混凝土强度最小为C30，设计时选用C40，避免混凝土强度过高，否则会带来温度应力加大；普通钢筋选用带肋钢筋；预应力筋选用无粘结预应力钢绞线。

3)池壁厚度的设计选用：做了大胆尝试，池壁设计厚度仅300mm，若设计池壁厚度太大，会增加温度应力和预应力筋数量，影响整个工程造价，但300mm 厚的池壁给施工带来了一定的难度。

4)池壁环拉力计算：考虑池内水压力作用产生的环拉力和池壁壁面温差作用产生的环拉力，通过环拉力计算所需预应力钢筋，此时假定池壁项自由，底部铰

接，计算中要考虑预应力损失，包括锚具变形损失、池壁摩擦损失、应力松弛损失、混凝土局部压陷损失、分批张拉损失、混凝土收缩徐变损失等。

池壁环压力计算：本工程水池池壁在地面以上，固无土压力，仅有预应力钢筋的环压力，此时要求池壁混凝土的轴心抗压设计强度fc必须达到75%以上。

池壁竖向受弯及配筋计算：池壁竖向弯矩由池内水压、池外土压、池壁温差和预应力钢筋施加压力产生；水压，池壁温差及土压作用下，池壁竖向弯矩按池壁底端铰接、顶端自由情况计算，但考虑杯槽部分嵌固作用；预应力钢筋压力产生的池壁竖向弯矩，按池壁底端滑动、顶端自由情况计算；四组荷载作用按照施加预应力阶段、试水阶段和使用阶段分别组合，控制池壁裂缝不大于0.2mm 的前提下进行配筋计算。

(2)无粘结预应力钢绞线的分段长度确定：分段长度太长时张拉效果不好，经与专业施工单位的共同探讨，采取50m范围内的长度比较合理，进行两端张拉，交错张拉。

(3)预应力筋锚具选择：根据工程特点和施工单位的技术水平，我们选择了夹片锚具，在锚固肋处夹片锚具露出混凝土表面，张拉完预应力筋后将预应力筋端部外露部分在距锚具50mm处切断，然后对外露预应力筋、锚具和锚板尽快涂刷防腐涂料，并随即浇筑混凝土封闭。

(4)应力架的设计：圆形水池的池壁上不可避免的存在工艺管线的穿行，当孔洞小于预应力筋间距的两倍时，预应力筋可以绕过孔洞布置，当孔洞大于预应力筋间距的两倍时，预应力筋无法绕过孔洞而被打断，这就需要设置应力架(也称锚固架)来锚固预应力筋。应力架设计要考虑混凝土的局部承压和抗剪及应力架自身强度。

(5)池壁板底部的处理：在池底板上做杯口，池壁板插入杯口中，池壁板底部铺设橡胶板；施工过程要求先浇筑池壁板内侧杯口混凝土，然后浇筑池壁板混凝土，再张拉预应力钢筋，此时满足池壁板底部为铰接设计的假定，然后浇筑池壁板外侧杯口混凝土，并用灌浆料和防水油膏处理杯口的缝隙，防止漏水，满足了使用阶段池壁板底部为半刚半铰的设计假定。

(6)池底板的膨胀加强带的设计：池底板面积比较大，成倒锥形，池壁施加预应力时，也给底板施加了水平预应力，仅从构造角度考虑设计膨胀加强带，底板沿径向设4道膨胀加强带，其它处混凝土掺加普通量膨胀剂，通过这些构造措施来控制温度应力。

(7)要求施工单位严格控制水泥用量，石子、砂子的粒径和含泥量；由于池壁又高又薄，建议施工单位采用较大的混凝土塌落度，同时利用串筒浇筑防止混凝土离析；由于池壁周长较长，建议采取多罐车连续的浇筑；对池壁混凝土的养护提出了悬挂塑料小水管密孔喷雾洒水方法的建议。