垃圾焚燒發(fā)電廠項(xiàng)目超高性能混凝土槽形板設(shè)計(jì)

李子俊

（中國(guó)輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州 511447）

1 工程背景

在垃圾焚燒發(fā)電廠項(xiàng)目的主車間中，通常有垃圾貯坑，用于垃圾貯存和發(fā)酵。在垃圾貯坑中，常年充斥著潮濕的酸性腐蝕性氣體。由于垃圾貯坑需要考慮垃圾儲(chǔ)量和吊車運(yùn)行的要求，其跨度一般較大，從而該部位的屋面跨度一般也較大，約為32～40m。因此，通常屋面主結(jié)構(gòu)會(huì)采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 垃圾焚燒發(fā)電廠主車間

在傳統(tǒng)的鋼屋面板設(shè)計(jì)中，目前多采用壓型鋼板或鋼骨架輕型混凝土板。筆者通過(guò)對(duì)多個(gè)已運(yùn)營(yíng)多年的工程項(xiàng)目調(diào)查表明，以上兩種屋面板，在運(yùn)營(yíng)多年之后，均出現(xiàn)了較為明顯的腐蝕。由于垃圾坑內(nèi)充斥著可燃的惡臭有毒氣體（如甲烷、氨、硫化氫、甲硫醇、苯乙烯等），更換屋面板將十分困難。在更換屋面板時(shí)，有毒臭氣泄露不僅可能導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)保問(wèn)題，更有可能在施工過(guò)程中造成中毒傷害或發(fā)生火災(zāi)、爆炸，釀成事故。因此，找到一種大跨度、可預(yù)制性好、自重輕、防腐性能更優(yōu)良、可長(zhǎng)期工作不需更換的屋面板，對(duì)于垃圾焚燒發(fā)電廠項(xiàng)目而言，具有十分重要的意義。

經(jīng)過(guò)對(duì)多種板材的對(duì)比，筆者注意到了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土槽形板。對(duì)比傳統(tǒng)的鋼屋面板或鋼骨架輕型混凝土板，槽形板沒(méi)有外露鋼構(gòu)件，材料致密，具有優(yōu)良的防腐蝕性能。但受鋼筋混凝土材料性能制約，傳統(tǒng)槽形板自重較大，一般難以實(shí)現(xiàn)較大的跨度。此外，由于屋面主結(jié)構(gòu)通常為大跨度鋼結(jié)構(gòu)，對(duì)重力荷載較敏感，采用傳統(tǒng)槽形板，不僅會(huì)顯著增加鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)高度，而且會(huì)顯著增加用鋼量，非常不經(jīng)濟(jì)。因此，筆者在傳統(tǒng)預(yù)制槽形板的基礎(chǔ)上，采用超高性能混凝土（以下簡(jiǎn)稱UHPC）材料，有效減少板截面尺寸，從而減少屋面板自重，以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 UHPC材料及槽形板簡(jiǎn)介

超高性能混凝土是一種力學(xué)性能超高、耐久性能優(yōu)異的新型水泥基復(fù)合材料。同時(shí)，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)改善和膠凝材料組成的優(yōu)化，其收縮大大減少。故UHPC較之常規(guī)混凝土，抗?jié)B性能大幅提高，耐久性也隨之大幅提高。

UHPC槽形板借鑒了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土槽形板的概念，利用UHPC材料超高的強(qiáng)度和優(yōu)異的工程性能，通過(guò)計(jì)算分析，從而在大跨度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)較小的構(gòu)件截面，以減輕結(jié)構(gòu)自重。

UHPC槽形板由面板、橫肋和縱肋組成。考慮施工及吊運(yùn)方便，單塊板板寬取值宜不大于1200mm。

3 UHPC槽形板的經(jīng)典理論計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

本文根據(jù)垃圾焚燒發(fā)電廠中較為常見(jiàn)的柱網(wǎng)尺寸及跨度選取板型作為算例。槽形板板寬1000mm，板跨度9m。面板厚度30mm，橫肋截面尺寸為50mm×80mm，間距1m。縱肋截面尺寸為50mm×150mm。混凝土強(qiáng)度等級(jí)選用RPC120，立方體抗壓強(qiáng)度不小于120MPa。為適應(yīng)高強(qiáng)混凝土材料的要求，鋼筋采用熱軋帶肋鋼筋HRB400鋼筋和螺旋肋消除應(yīng)力鋼絲。

3.2 材料強(qiáng)度取值

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[2]及參考《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ 43/T 325—2017），確定材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值如下：

RPC120混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為120MPa，，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為：fck=84MPa，設(shè)計(jì)值為fc=58MPa。設(shè)計(jì)考慮鋼纖維體積摻量2%，RPC120混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=5MPa，混凝土軸心抗拉強(qiáng)度f(wàn)t=4.6MPa。

HRB400鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360MPa。螺旋肋消除應(yīng)力鋼絲，極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1320MPa。

考慮垃圾坑中腐蝕性較強(qiáng)，如果采用預(yù)應(yīng)力混凝土，一旦結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕，將造成很大的預(yù)應(yīng)力損失，進(jìn)而給對(duì)結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)隱患，故本板材不考慮施加預(yù)應(yīng)力。

3.3 荷載分項(xiàng)系數(shù)及荷載取值

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）[1]，屋面板可變荷載取值0.5kN/m2。經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)面以上建筑做法荷載，結(jié)構(gòu)面上的永久荷載取值0.5kN/m2。混凝土自重為25kN/m3。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）[3]，基本組合的荷載分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)永久荷載取1.3，對(duì)可變荷載取1.5。

3.4 計(jì)算原理

（1）槽形板之面板、次肋、主肋根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[2]之受彎構(gòu)件理論計(jì)算。面板、主肋、次肋之荷載傳遞、彎矩及變形通過(guò)《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》[5]采用查表法計(jì)算。

（2）受彎構(gòu)件承載力計(jì)算采用的公式如下：

混凝土受壓區(qū)高度按下式確定：

參考《活性粉末混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DBJ 43/T 325—2017），對(duì)于HRB400鋼筋，ζb=0.53；對(duì)于1860MPa的螺旋肋消除應(yīng)力鋼絲，ζb=0.250。計(jì)算取α1=0.93。

（3）受剪承載力計(jì)算公式如下：

受剪承載力偏于安全地計(jì)算不考慮混凝土中鋼纖維對(duì)斜截面受剪的有利作用，采用經(jīng)典混凝土結(jié)構(gòu)理論計(jì)算。

受剪截面條件：V≤0.25βcfcbh0

斜截面受剪承載力計(jì)算：V≤0.7βhftbh0

（4）撓度計(jì)算公式如下：

撓度計(jì)算偏于安全地不考慮混凝土中摻入鋼纖維對(duì)剛度的影響，采用經(jīng)典混凝土結(jié)構(gòu)理論計(jì)算構(gòu)件剛度。

3.5 計(jì)算結(jié)果

（1）面板、主肋、次肋內(nèi)力詳見(jiàn)表1。

表1 面板、主肋、次肋內(nèi)力計(jì)算

（2）配筋計(jì)算詳見(jiàn)表2。

表2 配筋計(jì)算

（3）主肋斜截面受剪承載力計(jì)算。

受剪截面驗(yàn)算：

受剪截面滿足要求。

斜截面受剪承載力計(jì)算：

斜截面受剪承載力，不需額外配置抗剪鋼筋。

（4）撓度計(jì)算：

經(jīng)核算，該槽形板撓度：f=39.31mm≤l0/200=9000/200=45mm。

4 結(jié)語(yǔ)

UHPC槽形板在長(zhǎng)沙市污水處理廠污泥與生活垃圾清潔焚燒協(xié)同處置二期工程中已得到成功應(yīng)用。通過(guò)本文分析，可以得出如下結(jié)論：①UHPC槽形板具有大跨度、自重輕、材料用量少的特點(diǎn)，并具有較高的耐久性。在長(zhǎng)期處于強(qiáng)腐蝕環(huán)境的垃圾貯坑中，采用此種屋面板，可達(dá)到長(zhǎng)期使用不需更換的目標(biāo)，在安全、經(jīng)濟(jì)和耐久方面具有較高的效益；②UHPC槽形板可批量預(yù)制并標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，安裝具有較高的工業(yè)化水平。同時(shí)，使用此板材可提高建筑裝配率，響應(yīng)國(guó)家建筑工業(yè)化的號(hào)召；③UHPC混凝土基材與目前主流的防腐蝕涂料具有良好的結(jié)合性。在UHPC材料的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高其防腐蝕性能，可在其表面涂刷防腐涂料，如環(huán)氧玻璃鱗片等；④UHPC槽形板可采用數(shù)值分析方法計(jì)算，亦可采用經(jīng)典力學(xué)和鋼筋混凝土理論進(jìn)行計(jì)算。