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1、水平向預應力技術應用于地上矩形混凝土水池混凝土矩形水池在石化系統應用較多。以往的混凝土地上水池，凡長度超過18m者多有不同程度的開裂和滲漏。其主要原因有：(1)池壁內外溫差與池壁中面季節溫差的綜合作用；(2)長期空池，且未設伸縮縫，受池壁中面季節溫差與濕差的綜合作用，(3)設伸縮縫的水池存在施工質量問題或止水帶腐蝕、老化。針對上述問題，并為滿足廠方提出的不留伸縮縫和池壁裂縫寬度不超過0.lmm的要求，在滄州煉油廠曝氣池的設計中不設伸縮縫(圖4-15-1)，而利用一定間距扶壁的作用，將單向水壓變成雙向水壓，使絕大部分水壓的作用方向與池壁內外溫差、中面季節溫差及濕差引起的應力作用方向相協調。這樣，2、除去池壁混凝土本身的抵抗能力外，其余超額內力均由張拉水平向布置的波形預應力筋形成的平衡彎矩與有效預壓力兩種內力來平衡，從而得到一個結構比較合理且比較經濟的方案。第1章 工程概況滄州l煉油廠2座6000m3曝氣池的預應力筋均采用7s5無粘結鋼絲束，預應力鋼材的抗拉強度大于或等于1570MPa，無粘結束的布置及間距如圖4-15-2所示。1號曝氣池混凝土于11月末澆筑，次年1月初張拉。由于施工單位未能及時將恒溫水注滿各池，出現了池壁中面季節溫差與濕差(干縮)的最不利組合作用。同期施工的32m16m3m隔油池和32m19m3.1m厚迭池，由于摻了一定量的UEA膨脹劑而未設伸縮縫，在2月最冷日(最低氣溫3、13)，32m長的外池壁中部出現裂縫。l號曝氣池的縱向(水平方向)內隔墻長38m，因未配預應力筋，中部也出現貫通裂縫。而曝氣池的預應力混凝土外池壁未出現裂縫。由于施加了預應力，池壁厚度僅為250mm，壁內水平鋼筋的含鋼率為0.24%，整池用鋼量為78kg/m3，與原設計方案相比，節省混凝土258m3，鋼筋14t，UEA膨脹劑l2.5t，氧凝防水材料0.7t，以及止水帶等，而耗用無粘結預應力鋼絲束僅2.25t，節省1520萬元。第2章 預應力曝氣池的設計地上混凝土矩形水池的池壁越厚，對抗水壓及控制混凝土裂縫越有利；但在保證施工可能性的條件下，池壁越薄對抗溫度應力越有利。所以，要設計一個抗水壓與抗4、溫、濕度應力性能及經濟指標均較好的矩形混凝土地上水池并非易事。混凝土矩形水池在溫、濕度應力作用下從開裂到滲漏有兩種情況：一種是在彎曲拉應力與軸向拉應力交替作用下開裂；另一種是當水池長度超過18m或20m，又未設伸縮縫，因池壁中面溫差、干縮引起的應變超過一個定量(目前掌握的數據是1/10000)時，混凝土池壁就會被拉裂，形成貫通裂縫。對此，最有效的設防措施是在混凝土池壁間有目的地建立一整套定性定量的彎曲壓應力、軸向壓應力及其相對應的軸向壓應變，以防裂縫產生或將裂縫寬度控制在一定范圍內。目前最有效的手段就是采用后張無粘結預應力技術。在設計時間隔一定距離設置扶壁，將不利的懸臂結構體系的單向高位水壓轉5、變成雙向水壓，并根據水平裂縫控制為0.1mm時池壁(250mm厚，非預應力豎向鋼筋為12100)所能承擔的豎向水壓高度來確定最大扶壁間距。其余絕大部分水壓均以扶壁為邊界條件，轉變成水平向水壓，與池壁內外溫差、中面季節溫差以及濕差引起的內力方向協調。這樣就可以通過合理地布置拋物線形預應力筋建立相對應的彎曲壓應力、軸向壓應力以及預壓應變，平衡由高位水壓和溫濕差引起的彎曲拉應力、軸向拉應力以及拉應變。同時因為有了扶壁，也保證了預應力筋的布置與平衡彎矩的建立(圖4-15-3)。拋物線形預應力筋的等效荷載作用圖如圖4-15-3(b)的所示。從圖4-15-3中可看出，在扶壁處平衡彎矩與池壁內外溫差引起的彎6、矩同向，而與水壓彎矩反向；在扶壁間池壁中部，平衡彎矩與水壓和池壁內外溫差引起的彎矩反向；而有效預壓應力(扣除全部應力損失后的預應力值)則與中面季節溫差和濕差引起的收縮拉應力反向，預壓應變與收縮拉應變反向。因此在設計計算時，只需驗算下述4種情況：1.冬季最冷時正常運行狀態下扶壁間池壁中部截面處受水壓應力、池壁內外溫差應力、中面季節溫差應力、預應力等效荷載下的應力共同作用。2.冬季最冷時空池狀態(以應變控制)，受中面季節溫差應力、中面濕差應力、有效預壓應力共同作用。3.夏季池壁內外溫差等于零時正常運行狀態下扶壁邊緣截面處，受水壓應力、預應力等效荷載下的應力共同作用。4.對預應力張拉結束瞬間狀態下各7、截面，計算用的預應力等效荷載值未扣除與時間有關的應力損失，并且此時混凝土強度取70%。如果不采用設置扶壁改變水壓方向并用水平向波形預應力筋一次性綜合解決的設計方案，而采用分別解決水壓和溫濕差應力的設計方案，就形成用豎向直線形預應力筋克服懸臂體系的單向高位水壓，再用水平向直線形預應力筋克服溫濕差應力以解決因留設伸縮縫出現的問題，其結果是池壁厚度無法減小，按懸臂體系min為400mm，按一端固定一端簡支min為350mm。豎向預應力筋過短，張拉時錨具變形所占比例過大，應力損失過大，有時竟達40%。另外，由于直線張拉不能建立起平衡彎矩(圖4-15-4)，對受彎構件，預應力筋的儲備功能浪費50%60%8、。例如，某廠的鼓風曝氣池，建于1991年5月，池壁高5.2m，厚350mm，在池頂平面內每隔8m設一道混凝土拉梁，使池壁頂端的計算簡圖為簡支。在與滄州l煉油廠曝氣池同樣平面尺寸條件下，其豎向直線預應力鋼絲束用量為4.2t，水平向直線預應力鋼絲束用量為3.4t，共計7.6t。如果考慮池壁高度差，其預應力鋼絲束用量為滄州煉油廠曝氣池的3.9倍。在池頂平面內每隔8m設置拉梁，對生產和使用均帶來不便。第3章 設計中存在的問題1.池底板約束對池壁預應力值建立的影響底板的約束明顯地影響池壁預應力值的建立，有時衰減達50%左右。這與池壁根部構造有關，也與底板的剛度有關。本設計的底板厚度已接近下限，故只能承認9、約束的影響，從預應力鋼絲束的布置著手來滿足設計要求(圖4-15-2b)。因水壓與溫濕差組合的最不利區段在水位中部2m范圍內，所以在相對標高1.53.5m范圍內加密預應力筋的配置，單位面積上的有效預應力值NpcA為1.6N/mm2。標高3.55.0m處，NpcA為1.42N/mm2。而在標高1.5m以下，考慮底板的約束過大、水平水壓接近于零和溫濕差的影響衰減等因素，只配了2根鋼絲束，NpcA為1.03N/mm2。到目前為止，尚未探討出減少底板約束影響的理想辦法。2.正交隔墻約束對預應力值建立的影響正交隔墻約束對池壁預應力值建立的影響比底板約束的小，但又與框架柱對框架梁預應力值建立的約束影響不同，10、設計中按5%10%的折減量考慮，并在張拉時采取一定手段來彌補。3.扶壁與壁板的整體工作在扶壁受彎的設計計算中考慮了一定寬度范圍內的池壁壁板作為扶壁的翼緣與扶壁共同工作，并將扶壁受彎計算所需鋼筋的50%分布在作為翼緣的池壁壁板內，其目的也在于保證事實上的共同工作不被破壞。如果將計算所需的全部鋼筋均布置在扶壁寬度內，則會造成受力鋼筋含量的突變，在整體工作的初期，就造成扶壁邊緣池壁壁板的破裂。所以，美國ACI規范明確規定，若將全部受彎鋼筋布置在腹板內，必須在相鄰的翼緣間配置一定量的附加鋼筋，以防止壁板破裂和保證共同工作。4.基礎的整體工作由于l號和2號曝氣池所在的地基土是經過振沖碎石樁處理后的復合地11、基，承載力為180kN/m2，壓縮模量Es為19N/mm2，設計中考慮了一定程度的應力重分布，按扶壁基礎與池壁基礎共同工作的假設設計。除上述設計中考慮的4個問題外，還有諸如池壁中面季節溫差應力計算時考慮混凝土徐變、有限制的微裂縫降低剛度、邊界條件等因素的折減系數取值等只能定性而不能較準確定量的問題。為此，施工2號曝氣池時，有目的地在池壁內埋設了50個鋼筋應力計和若干溫、濕度計，并在不同位置的錨頭后埋設了10個傳感器，以通過1年1個周期的測試來驗證設計中的假定及采用的數據。第4章 問題改進扶壁剛度還可適當加大；扶壁與池壁基礎整體王作的假設可行，但某些構造措施須改進，特別是水平向抗扭的構造措施還應進一步加強。