垃圾池抗側(cè)力體系分析

張文斌， 于德廣， 宋 飛

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 概述

近年來隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高、垃圾焚燒發(fā)電行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，大量的垃圾焚燒發(fā)電廠如雨后春筍迅般速建成投產(chǎn)運(yùn)營。與此同時(shí)，既有垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒負(fù)荷加大，多為超負(fù)荷運(yùn)行，致使很多垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾池內(nèi)大量堆載，得不到及時(shí)的處理。垃圾池承擔(dān)著調(diào)節(jié)垃圾進(jìn)量和發(fā)酵垃圾的雙重功能，是垃圾焚燒發(fā)電廠的核心構(gòu)筑物。由于我國目前階段垃圾分類不夠發(fā)達(dá)，大量餐廚垃圾混進(jìn)垃圾池，池內(nèi)含有大量滲濾液，垃圾池一旦發(fā)生破壞和滲漏，必將產(chǎn)生嚴(yán)重的、惡劣的環(huán)境污染事件。因此，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對(duì)垃圾池倍加重視。圖1為某垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾堆載情況：按設(shè)計(jì)，垃圾堆存平均高度為7 m，實(shí)際使用中，垃圾堆存最大高度達(dá)到24 m。

圖1 某垃圾焚燒發(fā)電廠垃圾堆載現(xiàn)狀

1 池壁承受的水平推力

按文獻(xiàn)[1]的要求，垃圾池荷載可按滿水容積，水密度按1 000 kg/m3計(jì)算。垃圾池垃圾池有效容積以卸料平臺(tái)標(biāo)高以下的池容積為準(zhǔn)?？煽紤]在不影響垃圾運(yùn)輸車卸料和垃圾抓斗起重機(jī)正常工作的條件下，采取在遠(yuǎn)離卸料門或暫時(shí)關(guān)閉部分卸料門的區(qū)域，提高垃圾存儲(chǔ)高度，增加垃圾儲(chǔ)存量的措施。

根據(jù)某項(xiàng)目試驗(yàn)資料，垃圾堆積密度2.5 m高度以內(nèi)部分(自頂部往下計(jì))按0.3 t/m3，2.5～7.5 m部分按0.4 t/m3，7.5～12.5 m部分按0.5 t/m3，12.5～17.5 m部分按0.8 t/m3，超過17.5 m部分按1.0 t/m3考慮；且要求卸車平臺(tái)以下部分不小于1.0 t/m3；垃圾內(nèi)摩擦角按55度考慮。垃圾對(duì)池壁的水平推力按照主動(dòng)土壓力計(jì)算。

以一個(gè)地上24 m，地下6 m的垃圾池為例，在扣除回填土土壓力之后的垃圾對(duì)側(cè)壁的水平推力，在池壁底部部位達(dá)到93 kN/m2(如圖2所示)，大致相當(dāng)于10 m高的擋土墻的墻背土壓力數(shù)值。不同的是，垃圾池高度更大，水平推力產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)更加明顯。

圖2 某項(xiàng)目垃圾池所受水平推力

2 垃圾池的抗側(cè)力體系

垃圾池具有水平和豎向傳力的雙重抗側(cè)力體系。

豎向抗側(cè)力體系：在池壁后側(cè)構(gòu)造豎向抗側(cè)力體系——扶壁框架，扶壁框架由兩排框架柱和3～4層框架梁形成。垃圾池池壁承受水平推力，水平推力經(jīng)過池壁傳遞給扶壁框架，扶壁框架將水平力傳遞給基礎(chǔ)。之所以采用扶壁框架而不是像扶壁是擋土墻一樣采用實(shí)腹扶壁構(gòu)件，是為了滿足墻后的設(shè)備和管道布置需求。

水平抗側(cè)力體系：由0 m地坪、7 m、14 m、21 m標(biāo)高樓板構(gòu)成，樓板的長度即為垃圾池長度，樓板寬度同扶壁框架跨度。根據(jù)垃圾池儲(chǔ)量的不同，垃圾池的長度有所不同，最大可達(dá)60～70 m。樓板的寬度可達(dá)7～8 m，樓板寬度與長度的比值約為1/10左右，在采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施之后，承受水平荷載時(shí)，此樓板具有較好的剛度和承載力。垃圾水平推力經(jīng)過池壁傳遞給樓板，樓板將水平力傳遞給垃圾池兩端山墻，山墻將豎向荷載傳遞給基礎(chǔ)。山墻具有較大的平面內(nèi)剛度，可以做為樓板的水平嵌固端考慮。

水平抗側(cè)力體系和豎向抗側(cè)力體系組合起來同時(shí)發(fā)揮作用，如圖3所示。水平抗側(cè)力體系(樓板)剛度較大，為第一道防線；豎向抗側(cè)力體系(扶壁框架)剛度較小，延性較高，為第二道防線。與框架抗震墻結(jié)構(gòu)類似，墻和板的剛度大于框架的剛度。

圖3 雙重抗側(cè)力體系組合示意圖

3 垃圾池破壞的實(shí)例

早期設(shè)計(jì)的垃圾焚燒發(fā)電廠，垃圾量往往處于不夠燒的狀態(tài)，又沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出要求，設(shè)計(jì)者很少考慮垃圾堆存較高的可能。隨著近幾年來垃圾收運(yùn)量不斷提高，垃圾池負(fù)荷不斷增加，其水平承載力受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。某垃圾焚燒發(fā)電廠7 m平臺(tái)在水平推力的作用下發(fā)生剪切破壞。滲瀝液出現(xiàn)滲漏。

圖4 某項(xiàng)目垃圾池7 m平臺(tái)開裂

工人在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)樓板端部出現(xiàn)較大水平裂縫(如圖4所示)，為了灌漿修補(bǔ)裂縫，工人對(duì)裂縫中壓潰的混凝土碎渣進(jìn)行清理，在清理過程中發(fā)生巨響，樓板進(jìn)一步受剪破壞，同時(shí)框架柱發(fā)生剪切破壞(如圖5所示)。破壞順序驗(yàn)證了上文所述的“兩道防線”的理論分析。樓板端部靠近山墻的部位(即水平傳力體系支座部位)承擔(dān)的水平剪力最大，而由于設(shè)備安裝需要，此處樓板局部變窄，故而此處發(fā)生剪切破壞。樓板厚度100 mm，受剪承載力不足，是破壞的直接原因；按照一般的構(gòu)造要求，板底鋼筋伸入支座長度僅為5倍直徑，不能充分發(fā)揮受拉強(qiáng)度，也導(dǎo)致了受剪承載力偏低。

圖5 某項(xiàng)目扶壁框架柱(A柱)發(fā)生剪切破壞

此項(xiàng)目對(duì)樓板、池壁、扶壁框架、基礎(chǔ)均采取了加固，不作贅述。由于垃圾源源不斷的運(yùn)至發(fā)電廠，運(yùn)營很難中斷，垃圾池?zé)o法卸載，加固過程十分困難，需要采取大量的臨時(shí)措施確保安全。

4 設(shè)計(jì)中應(yīng)采取的措施

設(shè)計(jì)中應(yīng)充分估計(jì)使用中可能發(fā)生的堆載情況，準(zhǔn)確估算結(jié)構(gòu)承受的水平荷載。

充分發(fā)揮二重抗側(cè)力體系的作用。樓板作為水平抗側(cè)力體系，間距不宜過大，樓板間距一般控制在8 m以內(nèi)為宜，如果樓板間距超過8 m，可在兩層樓板之間設(shè)置水平桁架，水平桁架可由鋼筋混凝土邊框和型鋼斜撐組合而成。樓板采取構(gòu)造措施，厚度不宜小于180 mm，板頂板底配筋應(yīng)雙向連續(xù)布置，在支座和跨中均不宜斷開，如斷開應(yīng)按照充分受拉要求進(jìn)行接長連接。山墻作為樓板的水平支座，其與樓板應(yīng)具有可靠的水平連接：可采取框架梁縱筋錨入山墻，樓板與框架梁可靠連接。山墻作為樓板的不動(dòng)支撐點(diǎn)，應(yīng)具有足夠的厚度。

扶壁框架作為第二道防線，應(yīng)該具有足夠的截面尺寸，柱梁箍筋全長加密。

目前常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)水平力的處理不夠?qū)I(yè)，建議采取有限元軟件計(jì)算水平荷載作用下的內(nèi)力，針對(duì)內(nèi)力結(jié)算結(jié)果進(jìn)一步采取構(gòu)造措施。

5 結(jié)論

(1)垃圾池受水平荷載大，開裂后果嚴(yán)重且難于修復(fù)，設(shè)計(jì)中要充分重視，使之具有恰當(dāng)?shù)陌踩６取?/p>

(2)垃圾池設(shè)計(jì)應(yīng)構(gòu)造雙重傳遞路徑：樓板作為水平抗側(cè)力體系，剛度較大，將水平荷載傳遞給垃圾池兩端的山墻，是垃圾池的第一道防線；扶壁框架延性好，在樓板發(fā)生較大的剪切變形之后，仍能夠承受豎向荷載，使結(jié)構(gòu)不至于發(fā)生坍塌破壞，同時(shí)扶壁框架承擔(dān)一部分水平荷載，將水平荷載傳遞給基礎(chǔ)和地基，是垃圾池的第二道防線。

(3)樓板作為水平抗側(cè)力體系，應(yīng)采在板厚、配筋、節(jié)點(diǎn)等方面采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施。

(4)應(yīng)采用有限元軟件進(jìn)行水平荷載下結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)的分析。