竹園污水處理構(gòu)筑物大噸位裝配式結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

郭紹霖 (上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司 上海 普陀 200065)

引言

2016年2月份國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見(jiàn)》指出,要大力推廣裝配式建筑,以此來(lái)推動(dòng)我國(guó)建筑業(yè)低碳、節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展戰(zhàn)略。

國(guó)內(nèi)已有較多在工程建設(shè)中應(yīng)用裝配式施工技術(shù)的工程案例,針對(duì)污水構(gòu)筑物建設(shè)也總結(jié)了一些成功的施工經(jīng)驗(yàn)。

目前有許多學(xué)者對(duì)污水處理構(gòu)筑物進(jìn)行裝配式施工進(jìn)行了相關(guān)研究。梁亞楠等人從整個(gè)行業(yè)的應(yīng)用背景入手介紹裝配式建造技術(shù)在污水處理廠建設(shè)過(guò)程應(yīng)用的背景及特點(diǎn),分析裝配式建造技術(shù)在污水處理廠建造過(guò)程中應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。胡董超等結(jié)合上海白龍港污水處理廠提標(biāo)改造工程BLG-C3標(biāo)實(shí)踐,詳細(xì)介紹了預(yù)制疊合板、預(yù)制柱、梁柱預(yù)制節(jié)點(diǎn)等預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在地下污水處理廠工程中的運(yùn)用。其中,著重對(duì)原設(shè)計(jì)方案的缺點(diǎn)進(jìn)行了分析,并提出了改進(jìn)的建議。另外還有一些學(xué)者從結(jié)構(gòu)體系入手,做了部分相關(guān)研究。楊尚榮等結(jié)合深圳市下坪場(chǎng)生產(chǎn)廢水處理設(shè)施和地表水處理設(shè)施項(xiàng)目,介紹了預(yù)制雙面疊合剪力墻在污水處理池這類工程項(xiàng)目的應(yīng)用情況。結(jié)構(gòu)完工后防水效果良好,能有效避免大體積混凝土容易開(kāi)裂的問(wèn)題。

上述研究涵蓋了裝配式結(jié)構(gòu)在污水工程中應(yīng)用背景、污水處理構(gòu)筑物裝配節(jié)點(diǎn)、污水處理構(gòu)筑物裝配式結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了研究,但缺乏一定數(shù)量的工程案例支撐,同時(shí)缺少針對(duì)大型污水處理構(gòu)筑物中裝配式結(jié)構(gòu)如何安全、快捷施工的研究。因此,如何確保在國(guó)內(nèi)尚無(wú)先例的情況下順利完成竹園污水處理廠四期工程的大體量、大噸位的裝配式結(jié)構(gòu)拼裝任務(wù),成為了正式施工前要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

本文以竹園污水處理廠四期工程1.3標(biāo)中日處理量50萬(wàn)噸級(jí)AAO 生物反應(yīng)池的裝配式結(jié)構(gòu)施工為背景,對(duì)大噸位裝配式結(jié)構(gòu)從前期準(zhǔn)備、過(guò)程優(yōu)化、技術(shù)試驗(yàn)等幾個(gè)方面進(jìn)行理論計(jì)算與實(shí)測(cè)分析,在正式施工前通過(guò)拼裝試驗(yàn)總結(jié)了連接節(jié)點(diǎn)、安裝措施、質(zhì)量管控等方面的關(guān)鍵控制技術(shù),為今后類似結(jié)構(gòu)條件下的裝配式結(jié)構(gòu)施工提供一定的參考。

1 工程概況

本工程位于上海市浦東新區(qū)高東鎮(zhèn),東至洲海路、南至華東路、西至規(guī)劃路(嘉里油脂廠東側(cè))、北至外高橋船廠。為滿足竹園區(qū)域旱季峰值流量和初期雨水調(diào)蓄后進(jìn)行處理再達(dá)標(biāo)排放的需要,規(guī)劃新建竹園污水處理廠四期工程,規(guī)模120萬(wàn)m/d。本標(biāo)段為竹園污水處理廠四期1.3 標(biāo),建設(shè)內(nèi)容包括:50 萬(wàn)噸AAO 生物反應(yīng)池、50萬(wàn)噸平流式二沉池等配套構(gòu)筑物。

1.1 預(yù)制拼裝施工概況

本項(xiàng)目AAO 生反池部分結(jié)構(gòu)為預(yù)制混凝土構(gòu)件,包括缺氧區(qū)的隔墻、頂板梁、頂板、好氧區(qū)的部分隔墻(帶空氣渠道和除臭渠道)。采用預(yù)制裝配式構(gòu)件施工的區(qū)域共4個(gè),單個(gè)區(qū)域長(zhǎng)43.85m,寬78.56m,面積約3445m,總面積約14000m。單個(gè)區(qū)域的預(yù)制構(gòu)件包含:預(yù)制墻194塊、預(yù)制梁84塊、預(yù)制板300塊、觀察窗6塊。單個(gè)構(gòu)件最重為31t。

其中預(yù)制隔墻尺寸、噸位均較大,根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸分為4類,根據(jù)線型、接口形式可細(xì)分為7種,其中1類為弧線段,3類為標(biāo)準(zhǔn)段。預(yù)制隔墻結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 預(yù)制隔墻分類

1.2 主要難點(diǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施

1.2.1 主要難點(diǎn)分析

(1)本項(xiàng)目AAO 生反池A1、A1’、B1、B2’墻板、梁、頂板均為預(yù)制混凝土構(gòu)件,單個(gè)構(gòu)件重量最重為31t,這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吊裝作業(yè)提出來(lái)了很高的要求。

(2)項(xiàng)目預(yù)制構(gòu)件數(shù)量大,預(yù)制梁構(gòu)件數(shù)為336件、預(yù)制板構(gòu)件數(shù)為1200件、預(yù)制墻構(gòu)件數(shù)為776件,由于預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)周期長(zhǎng),能夠大批量生產(chǎn)該規(guī)模預(yù)制構(gòu)件的廠家并不多。

(3)由于生反池基坑尺寸較大,池體中部的預(yù)制構(gòu)件離基坑邊線約100米,小、中型起重?zé)o法從基坑邊進(jìn)行吊裝,大型起重設(shè)備雖能滿足起重要求,但臺(tái)班費(fèi)用過(guò)高,經(jīng)濟(jì)上存在不合理性。

1.2.2 應(yīng)對(duì)措施

(1)構(gòu)件制作場(chǎng)地

我司將選擇大型構(gòu)件專業(yè)化生產(chǎn)廠商作為構(gòu)件供應(yīng)商。經(jīng)實(shí)地考察后,其整個(gè)廠區(qū)內(nèi)裝配式橋梁的預(yù)制場(chǎng)地約38畝,分為六個(gè)區(qū):砼攪拌區(qū)、鋼筋加工區(qū)、鋼筋籠綁扎區(qū)、立柱預(yù)制區(qū)、蓋梁預(yù)制區(qū)和存放區(qū)。

(2)施工工藝流程

構(gòu)件吊裝采用龍門吊,分幅進(jìn)行吊裝作業(yè)。龍門吊跨度約36m 米,設(shè)置40t主吊及20t副吊,最大起升高度16m。整機(jī)控制精度為:起升2mm,行走20mm。

為解決龍門吊行走腿對(duì)梁板的影響,在龍門吊主梁外側(cè)懸挑2.2 米安裝16t電動(dòng)葫蘆,便于退行安裝預(yù)制梁板。

將預(yù)制吊裝區(qū)域分成左右兩幅,分幅進(jìn)行施工。構(gòu)件運(yùn)輸車輛沿場(chǎng)內(nèi)道路行駛至基坑邊,倒車進(jìn)入坑內(nèi)鋼平臺(tái),而后采用龍門吊進(jìn)行卸車,堆放于結(jié)構(gòu)底板上,然后龍門吊由南至北,分區(qū)域、依次退行安裝隔墻和梁板等構(gòu)件。半幅施工完成后,采用雙機(jī)抬吊將龍門吊搬運(yùn)至另外半幅。

2 大噸位裝配式結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上提出的主要技術(shù)難點(diǎn),本文接下來(lái)將從連接節(jié)點(diǎn)、安裝措施、質(zhì)量控制三方面闡述本工程在大噸位裝配式結(jié)構(gòu)施工技術(shù)試驗(yàn)中所用到的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化

裝配式結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)是施工質(zhì)量好壞和施工速度快慢的關(guān)鍵所在。根據(jù)結(jié)構(gòu)體系及使用功能的需求,目前的連接節(jié)點(diǎn)形式多為濕連接、后澆或漿錨。本工程結(jié)構(gòu)底板、預(yù)制隔墻、預(yù)制頂板連接處均為濕連接。其中預(yù)制頂板分幅處的拼縫均為密拼,不作處理。故在原設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上,我們對(duì)預(yù)制隔墻間的豎向接縫和預(yù)制隔墻與現(xiàn)澆底板的水平接縫根據(jù)施工需求進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 相鄰預(yù)制隔墻的豎向接縫

作為相鄰預(yù)制隔墻連接的豎向接縫,由于本次裝配式結(jié)構(gòu)的施工范圍僅限于內(nèi)部隔墻和頂板范圍,不涉及與外部相接的剪力墻,故防水要求較低,且無(wú)較高的結(jié)構(gòu)受力需求。

在試驗(yàn)構(gòu)件的加工過(guò)程中,深化設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出可將豎向接縫由凹凸榫型調(diào)整為對(duì)接型,以獲得更為便捷的施工,避免因缺少側(cè)向力帶來(lái)的凹凸榫拼接不貼合而產(chǎn)生累積誤差。如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的豎向接縫

2.1.2 預(yù)制隔墻與現(xiàn)澆底板的橫向接縫

作為預(yù)制隔墻與現(xiàn)澆底板相連的橫向接縫,本工程采取的是濕連接施工,采用UHPC 超高性能混凝土代替普通混凝土,達(dá)到鋼筋不焊接、不對(duì)接,采取錯(cuò)位搭接即可達(dá)到受力需求。

在試驗(yàn)構(gòu)件的加工過(guò)程中,施工團(tuán)隊(duì)提出預(yù)制隔墻底部全斷面濕接頭,未生根,安裝過(guò)程使用雙面四道斜撐進(jìn)行支撐固定,對(duì)重達(dá)31噸的預(yù)制隔墻來(lái)說(shuō)存在較大的安全隱患,且預(yù)測(cè)安裝效率較低,于是提出將預(yù)制隔墻底部局部落在底板上,兩側(cè)鋼筋錨固部分UHPC不變。如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的水平接縫

2.2 預(yù)制構(gòu)件安裝措施

2.2.1 預(yù)制構(gòu)件標(biāo)高調(diào)節(jié)

預(yù)制構(gòu)件的高差主要受構(gòu)件加工誤差和安裝過(guò)程中的安裝誤差影響。

針對(duì)構(gòu)件的加工誤差,我們?cè)跇?gòu)件加工過(guò)程中采購(gòu)專業(yè)PC 模具加工廠進(jìn)行加工,為有效地防止模板的變形,提高剛度,模板加工使用鋼板面板厚度6mm,上下筋板10mm,豎筋板為6mm。鋼板配模均使用激光切割,機(jī)械加工,確保構(gòu)件尺寸的精度以毫米計(jì)。

針對(duì)構(gòu)件的安裝誤差,主要分為預(yù)制隔墻和預(yù)制頂板兩個(gè)部分,在構(gòu)件的安裝過(guò)程中,以控制預(yù)制隔墻的標(biāo)高為主,避免因預(yù)制隔墻高差過(guò)大從而影響到拼裝在隔墻上部的預(yù)制頂板。

控制的措施主要分為三個(gè)部分:

(1)現(xiàn)澆底板平整度

在施工現(xiàn)澆底板時(shí),加大定位標(biāo)高措施鋼筋的密度,在提高底板面的收光精度和質(zhì)量,確保現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)盡可能平整和接近設(shè)計(jì)標(biāo)高。同時(shí)要求盡可能地做到負(fù)差,避免混凝土過(guò)高產(chǎn)生鑿除等后果。

(2)預(yù)制隔墻高差調(diào)節(jié)

在預(yù)制隔墻安裝前,均須測(cè)設(shè)隔墻所在位置的底板標(biāo)高,然后根據(jù)高差使用60mm×60mm 大小、厚度在2mm～10mm 不等的鋼板/鋼墊塊,進(jìn)而消除高差。

(3)預(yù)制隔墻垂直度調(diào)節(jié)

因角度傾斜,也可能會(huì)導(dǎo)致高差的產(chǎn)生。為確保預(yù)制隔墻安裝垂直度能符合相關(guān)規(guī)范要求,也為避免垂直度引起的錯(cuò)臺(tái)、不平整等觀感缺陷。我們計(jì)劃采用限位器對(duì)預(yù)制隔墻垂直度進(jìn)行初次校準(zhǔn),待隔墻就位后再配合龍門吊、靠尺等工具進(jìn)行二次校準(zhǔn)。

2.2.2 預(yù)制構(gòu)件安裝固定

預(yù)制隔墻采用單面兩根斜撐進(jìn)行固定,斜撐選擇鋼材等級(jí)Q235 的帶有旋轉(zhuǎn)桿的鋼管,直徑108mm,壁厚4mm,長(zhǎng)度7.8m,重量96kg。斜撐通過(guò)連接件與預(yù)制隔墻及底板進(jìn)行連接,連接件使用M24螺栓進(jìn)行固定。如圖3所示。

圖3 斜撐及連接件示意圖

3 預(yù)制拼裝試驗(yàn)

為驗(yàn)證預(yù)制拼裝施工方案的可實(shí)施性,施工效率以及安裝過(guò)程中的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙分幅情況,最大化模擬實(shí)際工況,選擇直線段三塊連續(xù)的YZQ-4構(gòu)件進(jìn)行試拼裝。

3.1 試驗(yàn)方案

本次試拼裝共采用3塊預(yù)制墻板,分別為一號(hào)塊、二號(hào)塊和三號(hào)塊。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

試拼裝在構(gòu)件堆場(chǎng)的試拼裝區(qū)域內(nèi)進(jìn)行,并按照試驗(yàn)方案進(jìn)行,拼裝流程如下:

測(cè)量放線→鉆孔鋼筋布設(shè)→防置鋼墊塊調(diào)整標(biāo)高→限位架安裝→預(yù)制隔墻吊裝→斜撐安裝→豎向拼縫澆筑→試拼裝完成

3.3 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

為掌握斜撐支撐的受力情況,在三塊預(yù)制墻板上的共計(jì)6個(gè)斜桿支撐進(jìn)行受力的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

每個(gè)支撐上安裝一個(gè)表面應(yīng)變計(jì),作為支撐軸力自動(dòng)化監(jiān)測(cè),觀測(cè)軸力的變化情況,分析不同垂直度時(shí)的受力情況,一共6個(gè)表面應(yīng)變計(jì)。如圖4所示。從左往右分別對(duì)應(yīng)一號(hào)塊、二號(hào)塊和三號(hào)塊預(yù)制墻,對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)編號(hào)是JC1-4、JC1-5和JC1-6。

圖4 斜撐受力監(jiān)測(cè)示意圖

試拼裝過(guò)程中,JC1-4～JC1-6斜撐應(yīng)變情況如圖5所示。

圖5 斜撐應(yīng)變圖(單位:με)

由上圖可以看出,JC1-4和JC1-5墻體斜撐的應(yīng)變值均在約-50～50微應(yīng)變之間變化,應(yīng)變值較小,而JC1-6墻體的斜撐應(yīng)變值變化較大,最大應(yīng)變?yōu)?30 微應(yīng)變,最小為-126微應(yīng)變。對(duì)比同一墻體的兩根斜撐,可以發(fā)現(xiàn)兩根斜撐之間存在受力不均勻,但差別較小。

以JC1-6墻體斜撐,進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算,斜撐選用整根軋制的Φ1004 鋼管,鋼材等級(jí)235,屈服強(qiáng)度f =235/,抗壓及抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215/。

斜撐應(yīng)力均遠(yuǎn)小于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

以JC1-6墻體斜撐,進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算:

斜撐截面慣性矩為:

斜撐長(zhǎng)細(xì)比為:

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)附錄D,穩(wěn)定系數(shù)0165。

滿足穩(wěn)定性驗(yàn)算條件。

3.4 檢測(cè)數(shù)據(jù)分試驗(yàn)結(jié)果

本次拼裝試驗(yàn)非常成功,單塊隔墻拼裝用時(shí)為50分鐘,完全符合預(yù)期工效。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示預(yù)制隔墻斜撐受力均衡穩(wěn)定,符合施工的安全需求。

結(jié)論

本文結(jié)合竹園污水處理廠四期工程1.3標(biāo)的裝配式結(jié)構(gòu)施工,對(duì)水務(wù)工程污水處理構(gòu)筑物中的大體積、大噸位預(yù)制構(gòu)件施工進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)測(cè)分析,針對(duì)連接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化和預(yù)制構(gòu)件安裝措施進(jìn)行研究分析,并通過(guò)足尺試拼裝的順利完成,得到以下主要結(jié)論:

(1)大噸位裝配式結(jié)構(gòu)施工是可行的,并且單塊隔墻的拼裝用時(shí)為50分鐘,能夠滿足功效要求。

(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示預(yù)制隔墻斜撐受力均衡穩(wěn)定,符合施工的安全需求。為預(yù)制拼裝的順利進(jìn)行,提供了重要的技術(shù)支撐。

(3)根據(jù)目前的應(yīng)用部位和實(shí)踐效果來(lái)看,裝配式結(jié)構(gòu)在水務(wù)工程水處理構(gòu)筑物中的應(yīng)用是完全可行的,尤其在應(yīng)用了UHPC超高性能混凝土的情況下,讓關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度更好、質(zhì)量更高、施工更為便捷。