基于擬靜力法的半地下裝配式水池抗震設計分析

王 偉 （上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海 200125）

1 引言

隨著我國國民經濟的不斷發展，環境污染問題日益加重，人們的環保意識也在不斷提高；《水污染防治行動計劃》《生活飲用水衛生標準》等指導文件和規范的出臺，推動生態環保制度不斷完善。污水處理廠作為污水處理的重要場所，引起了人們的廣泛關注。污水池是污水處理廠的重要組成部分，其結構質量優劣直接影響污水廠的后期運營和維修。

現有地下結構抗震分析方法主要有動力時程分析法和擬靜力法。動力時程分析的結果與所選取的地震動輸入有關，它采用逐步積分的方法對動力方程進行直接積分，分析精度較高，但存在模型邊界處理復雜、計算工作量大、結果處理繁瑣等問題，而且大型復雜結構的動力分析對計算機要求更高，耗時耗力，對工程技術人員素質要求較高；擬靜力法是通過反應譜理論將地震對建筑物的作用以等效地震荷載替代，驗算結構的抗震承載力和變形。此類方法合理地將動力學問題簡化為靜力學問題，同時可以較好地反映結構的動力響應，具有結果直觀、效率高等優點，便于設計人員掌握，眾多規范均推薦此類方法，應用十分廣泛。

鑒于此，本文以上海某污水廠的生物池為例，選用《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》推薦的擬靜力法對市政污水處理廠的生物池結構抗震設計分析及抗震措施進行探討，為今后污水廠水池構筑物的抗震設計提供依據。

2 工程概況

2.1 生物池構筑物概況

AAO生物反應池平面尺寸約為209.5m×167.6m，主體結構為現澆矩形鋼筋混凝土結構，局部隔墻采用預制構件，局部頂板采用玻璃鋼蓋罩或預制大跨度預應力空心板。

池體主要構件：好氧池側墻、好氧池隔墻、缺氧池側墻、缺氧池隔墻。考慮到上述構件單面墻體的尺寸較大，受到的動水壓力、動土壓力較大，地震時最容易破壞，因此AAO生物反應池的抗震分析主要針對上述四種池壁。好氧池與缺氧池的側墻壁板總高11.20m，其中埋置于地下的部分為5.00m，故應按地面式結構驗算；隔墻不與土直接接觸，故按照地面式結構驗算。

結構構件尺寸：好氧池側墻厚900mm、好氧池隔墻厚500mm、缺氧池側墻厚900mm、缺氧池隔墻厚500mm。

2.2 等效地震荷載

根據《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》，盛水構筑物在水平地震作用下主要考慮如下等效地震荷載：

①由于結構物自身及其中添加物重量引起的慣性力；

②地震時動土壓力；

③地震時動水壓力。

2.2.1 自重慣性力標準值計算

盛水構筑物在水平地震荷載作用下的自重慣性力標準值，應按下列規定計算：

地面式水池壁板的自重慣性力標準值：

地面式水池頂蓋的自重慣性力標準值：

式中：F為池壁沿高度的自重慣性力標準值(kN/m)；為地震影響系數的調整系數，可取1.5；α為相應于水池結構基振型的地震影響系數，一般可取α=α，取 0.23；γ為相應于水池結構基振型的振型參與系數,取1.10；g為池壁沿高度的單位面積重度(kN/m)；W為水池頂蓋的自重（kN）；F為水池頂蓋的自重慣性力標準值（kN）；H為池壁高度（m）；Z為計算截面距池壁底端的高度（m）；

2.2.2 動水壓力標準值計算

矩形水池在水平地震荷載作用下的動水壓力標準值，應按下列公式計算：

式中：F為矩形水池的動水壓力標準值 (kN/m)；γ為池內水的重力密度(kN/m)；H為池內水深(m)；f為矩形水池動水壓力系數；F為矩形水池動水壓力沿地震方向的合力 (kN)；L為矩形水池垂直地震作用方向的邊長(m)。

2.2.3 動土壓力標準值計算

水池池壁在水平地震荷載作用下的動土壓力標準值，應按下列公式計算：

式中：F為地震時作用于水池池壁任一高度上的最大土壓力增量(kN/m)；F為相應計算高度處的主動土壓力標準值 (kN/m)；φ為池壁外側土的內摩擦角，取 30。

2.3 抗震設計參數

本工程擬建場地的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第二組，地基土屬軟弱場地土類型，場地類別為Ⅳ類，設計特征周期取0.90s。根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）第5.1.4條，本工程主要構筑物及管道均為重點設防類，抗震設防烈度按7度考慮，抗震措施按8度執行，構筑物抗震等級均取為二級。

3 計算結果

3.1 地震荷載計算

根據上述規范要求，通過式（1）～式（5）計算各構件的等效地震荷載，計算結果見表1。

AAO生物反應池池壁等效地震荷載 表1

3.2 抗震計算結果

根據表1中的等效地震荷載計算結構地震工況的附加彎矩，同時考慮結構地震作用效應和其他作用效應的組合，其中：靜力作用（即正常使用工況下的水土壓力）組合系數取1.2；地震作用組合系數取1.3；同時，對結構構件截面強度進行計算時，考慮承載力抗震調整系數0.85，最終獲得地震組合工況的彎矩值。

根據地震組合工況的彎矩按強度控制進行配筋，計算各構件滿足抗震安全性的強度計算配筋，詳見表2。由表2中數據可以看出，各構件實際配筋面積均大于地震工況的強度計算配筋面積，因此生物池結構可以滿足抗震安全性要求；同時，隔墻的地震組合工況彎矩明顯大于其靜力作用工況彎矩，這是由于隔墻在靜力工況墻體兩側水壓力基本平衡，內力較小；地震組合下，隔墻單側作用動水壓力，底部將產生巨大的地震附加彎矩。因此，結構設計中應重點關注隔墻的抗震安全性。

AAO生物反應池結構抗震強度分析結果 表2

3.3 池體預制隔墻下部節點分析

缺氧池局部隔墻采用預制構件，現通過三維有限元彈塑性分析，驗證預制隔墻下部節點的連接強度。

三維有限元模型由底板和隔墻兩部分組成，其中底板厚1.0m，板內設置雙排C25@150鋼筋；隔墻厚0.5m，計算寬度取預制隔墻幅寬3m，高度根據反彎點法取距墻底2/3墻高處，墻內設置雙排C25@150豎向鋼筋，并根據設計圖紙布置箍筋，計算模型如圖1所示。

圖1 下部節點三維精細化模型

約束試件底板下表面的三個自由度及隔墻寬度方向的自由度。模型加載共分為兩步，先在模型頂端施加頂板及隔墻自重產生的軸向力，并保持恒定，然后在模型頂端施加水平位移荷載，直至構件破壞。

3.3.1 損傷分布及發展規律

圖2繪制了墻頂水平位移為8.85mm，底部彎矩218.4kN·m（混凝土開始拉裂），和頂部位移163mm，底部彎矩622.71kN·m（極限承載能力）時結構混凝土拉伸損傷云圖。由圖2可知，混凝土結構首先在灌漿套筒上部連接部位產生拉伸損傷，然后混凝土拉伸破壞從灌漿套筒上端部分逐漸向上發展，最終整個墻的受拉面混凝土全部拉裂。

圖2 下部節點拉伸損傷云圖

3.3.2 鋼筋應力

輸出隔墻破壞時的墻內鋼筋應力云圖，如圖3所示。灌漿套筒連接鋼筋的上端應力最大。選取該點繪制墻底彎矩-鋼筋應力曲線，如圖4所示。鋼筋的應力發展呈現3個階段，第一個階段為混凝土彈性階段，受拉區的混凝土還未產生受拉裂紋；第二個階段為混凝土受拉破壞階段，在該階段，混凝土受拉損傷在從墻底部不斷向上發展，鋼筋應力曲線基本為直線，但在該階段，墻面混凝土已經產生了不可恢復的拉伸破壞；第三個階段鋼筋進入塑性，結構發生較大位移，產生破壞。

圖3 下部節點區隔墻縱筋應力云圖（極限狀態）

圖4 墻底彎矩-鋼筋應力曲線

3.3.3 力-位移曲線

將柱頂施加的水平作用力轉化為墻底等效彎矩，繪制墻底彎矩-位移曲線，如圖5所示。位移隨著作用力的增長主要出現了3個階段的發展過程。在墻頂位移小于12mm時，灌漿套筒上方混凝土未拉裂，此時結構仍處于彈性階段；在墻頂位移介于12mm和152mm之間時，受拉區混凝土拉裂，鋼筋應力增長但未屈服；在墻頂位移大于152mm時，鋼筋屈服，結構產生較大的水平位移，基本失去水平承載能力，產生不可恢復的破壞變形。

圖5 墻底彎矩-位移曲線

3.3.4 下部節點抗震安全性評價

根據結構抗震計算分析結果，地震作用下墻底最大彎矩為472.8。由圖5可知，此時結構仍處于彈塑性階段。并輸出此時混凝土拉伸損傷和鋼筋應力云圖，如圖6所示，可以發現混凝土拉伸損傷并未發展至全截面且鋼筋仍未屈服。綜上所述，預制隔墻下部節點在地震作用下尚未達到承載力極限狀態，目前設計方案滿足抗震安全性要求。

圖6 墻底彎矩M=472.8kN·m時混凝土拉伸損傷-鋼筋應力云圖

4 抗震措施

本工程中主要構筑物抗震設防類別為重點設防類（乙類）、抗震設防烈度按7度考慮，抗震措施按8度考慮。

①水池結構在壁板拐角處，里外層水平向鋼筋的配筋率不小于0.3%。伸入兩側池壁內的長度不小于1/2池壁高度。

②水池壁板高度留有足夠高度，不小于300mm。

③水池鋼筋的錨固長度及轉角處池壁鋼筋、T型池壁、十字型池壁的加密長度均滿足抗震構造要求。

④水池池壁與頂蓋的連接措施應符合下列要求：

a.當頂蓋與池壁非整體連接時頂蓋在池壁上的支承長度不應小于200mm；

b.鋼筋混凝土池壁的頂部應設置預埋件與頂蓋內預埋件焊連；

c.為增強預制頂蓋的整體性，預制板上澆筑二期鋼筋混凝土疊合層。

5 結論

通過對本工程的生物反應池的抗震分析，綜合得出以下結論：

①采用《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》推薦的擬靜力法，驗證了AAO生物池結構主要構件的抗震安全性，結果表明：在7度基本烈度地震作用下，各構件的實際配筋面積均大于地震工況的強度計算配筋面積，AAO生物池結構可以滿足抗震安全性要求。

②建立了AAO生物反應池預制隔墻下部節點的三維精細化分析模型，研究了節點的受力傳遞機制、極限承載性能及其破壞模式，評價了其在設防地震作用下的安全性。由數值模擬結果表明，結構設計方案滿足抗震安全性要求。

③本工程構筑物按8度采取抗震措施。通過對鋼筋的錨固長度、鋼筋的配筋率等方面進行控制，以滿足抗震構造措施要求。針對結構轉角等抗震不利部位，采取加設腋角、暗柱、加密鋼筋等方式進行局部加強。