王相寶 趙 凡 中海油石化工程有限公司

1 前言

污泥濃縮池在化工行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，該裝置的作用是對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污泥進(jìn)行壓縮處理，原理是通過濃縮的方式將污泥中的水分壓縮排出，使得污泥的體積規(guī)模得以變小，從而變相減少了化學(xué)藥劑的使用，除污的動(dòng)力設(shè)備配置也相應(yīng)降低，在滿足裝置運(yùn)行的前提下，做到了節(jié)能減排，而且除污管道的配置也會(huì)減少，節(jié)約了工程成本?；ぱb置中常用的污泥濃縮池為輻流式池型，污泥從中心筒連續(xù)配入，豎向或徑向流往周邊集水槽，污泥濃縮于池底，并連續(xù)排出，清水則從集水槽連續(xù)排出。污泥濃縮池的構(gòu)造詳見圖1。

圖1 污泥濃縮池簡(jiǎn)圖

2 結(jié)構(gòu)形式

本文選取某化工項(xiàng)目中污泥濃縮池作為設(shè)計(jì)對(duì)象。該算例形狀為圓形，材質(zhì)為鋼筋混凝土，地面以上的水池高度為4.1m，地面以下的水池高度為3.05m，濃縮池的直徑為14.8m。本工程設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗浮設(shè)計(jì)水位為室外地坪下0.5m，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。其余設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

由于污泥濃縮池地處嚴(yán)寒地區(qū)，室外溫度較低，水池池壁外露，因此池體的混凝土抗凍等級(jí)為F200。通過當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境類別確定：濃縮池壁板的混凝土保護(hù)層厚度為35mm，底板的混凝土保護(hù)層厚度為40mm。池體受力鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)均為HRB400。根據(jù)SH/T 3132—2013《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，污泥濃縮池的防水要求比較嚴(yán)格，需采用抗?jié)B等級(jí)為P8 的C30 抗?jié)B混凝土，污泥濃縮池的結(jié)構(gòu)截面尺寸詳見圖2。

圖2 污泥濃縮池結(jié)構(gòu)剖面圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 荷載組合

污泥濃縮池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)水池的型式及其工況取不同的荷載效應(yīng)組合[1]，本算例的荷載組合詳見表2。

表2 荷載組合表

3.2 建模計(jì)算

基于世紀(jì)旗云軟件中的水池模塊進(jìn)行污泥濃縮池的三維有限元模擬計(jì)算。污泥濃縮池在結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)在荷載的基本組合下，最不利組合中的彎矩起控制作用。水池環(huán)形壁板和圓形底板在X向及Y向的彎矩應(yīng)力云圖如圖3所示。

由圖3 可知，在基本組合的最不利工況下，由于污泥濃縮池的壁板頂部自由無約束，所以環(huán)形壁板的Y 向頂端彎矩為0，且Y 向的彎矩由上至下越來越大，最大彎矩為65.70kN·m；環(huán)形壁板X 向彎矩的變化規(guī)律也呈現(xiàn)為由上至下逐漸變大，最小彎矩為41.00kN·m，最大彎矩為60.80kN·m。污泥濃縮池底板的彎矩，X 向與Y 向變化規(guī)律相似，均為壁板與底板相交的角隅處彎矩最大，由底板四周向中心逐步變小，X向的最大彎矩為15.60kN·m，Y向的最大彎矩為51.80kN·m。彎矩云圖整體展現(xiàn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)與結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型擬合度較好。

圖3 基本組合下的彎矩云圖

根據(jù)《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的要求，水池構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)永久組合下的裂縫寬度驗(yàn)算。由于污泥濃縮池的防水等級(jí)為二級(jí)，根據(jù)規(guī)范要求，最大裂縫寬度限值wmax≤0.20mm。按正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，污泥濃縮池的壁板和底板在準(zhǔn)永久組合下，最不利的位移云圖分布如圖4所示。

圖4 準(zhǔn)永久組合下的裂縫云圖

通過水池的裂縫云圖可以看出，壁板的較大裂縫主要分布在壁板的底部區(qū)域，裂縫最大值為0.19mm；底板的較大裂縫主要分布在底板四周邊緣區(qū)域，裂縫最大值為0.17mm；均滿足規(guī)范要求。

由于地下水的抗浮設(shè)計(jì)水位高于污泥濃縮池的底板標(biāo)高，所以應(yīng)進(jìn)行水池的抗浮驗(yàn)算：安全系數(shù)K=∑Gik/(qA)=5451.93/1551.70=3.514＞1.1，滿足規(guī)范要求。

最后，還需進(jìn)行水池的抗震計(jì)算。由于污泥濃縮池徑高比比較大，在地震作用下，池壁的空間作用不顯著，而且污泥濃縮池沒有頂板，力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為池壁上端自由的懸臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，因此在實(shí)際工程中，污泥濃縮池的震害相對(duì)較少。本工程算例位于7 度區(qū)，設(shè)防烈度相對(duì)較低，在滿足結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施的前提下，可不進(jìn)行地震作用的驗(yàn)算[2-3]。水池結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施包括：受拉鋼筋的錨固長(zhǎng)度、壁板跟底板的配筋率等等，詳見SH/T 3132—2013《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的相關(guān)要求。

根據(jù)上述計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)池壁與底板進(jìn)行配筋計(jì)算，計(jì)算結(jié)果詳見表3。鋼筋計(jì)算面積的單位為mm2/m。

表3 配筋表

根據(jù)配筋表繪制污泥濃縮池配筋結(jié)構(gòu)圖，詳見圖5。池體受力鋼筋的材質(zhì)均為HRB400，構(gòu)造鋼筋的材質(zhì)為HPB300。

圖5 污泥濃縮池配筋圖

4 結(jié)束語

本文基于世紀(jì)旗云軟件中的水池計(jì)算模塊，對(duì)污泥濃縮池進(jìn)行了三維有限元模擬與計(jì)算，計(jì)算工況包括：持久設(shè)計(jì)工況（正常操作）、短暫設(shè)計(jì)工況（蓄水試驗(yàn)）、地震設(shè)計(jì)工況。并對(duì)以上工況分別進(jìn)行了荷載頻次組合計(jì)算，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)污泥濃縮池的壁板與底板配筋包絡(luò)設(shè)計(jì)，并繪制結(jié)構(gòu)配筋圖。在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)：污泥濃縮池的配筋主要取決于以下兩方面。

（1）承載能力極限狀態(tài)：基本組合下的最不利彎矩起控制作用。

（2）正常使用極限狀態(tài)：準(zhǔn)永久組合下的裂縫起控制作用。