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沉井在热力改造工程中的分析应用

赵曦太原市热力设计有限公司

摘要:本文综合阐述了沉井施工技术的形式,使用范围、施工工艺、设计要点及经济效果的比较。结合大同路老旧热力管网改造工程项目的设计与施工,通过对在热力管网改造中应用的阶梯形砼沉井(无地下水)和直臂式(无地下水)选型方案的对比,研究不同类型沉井技术在改造工程方面的适用性和可行性。综合说明该技术是一种性能、价格比较优越、工期或成本均占优势的结构体系,且阶梯形砼沉井(无地下水)在应用中具有更高的经济价值。

关键词:沉井,直臂式阶梯形

1 沉井技术简介

1.1 沉井的原理及类型

沉井是矿深基础和地下构筑物的一种施工工艺,施工时先在地面或基坑内制作开口的钢筋混凝土井身,待其达到规定的强度后,在井身内部分层挖土运出。随着挖土和土面的降低,沉井井身靠其自重或在其他措施协助下克服与壁间的摩擦力和刃脚反力,不断下沉,直至设计标高就位,然后进行封底,按平面形状沉井分为方形,圆形、矩形、多边形等,主要取决于其用途。[1]由于圆形沉井受力性能好,易于控制下沉,应用最多。

1.2 沉井的设计要点与构造要求

1.2.1 结构布置原则

a 沉井的方案设计可遵循现有的《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)《建筑抗震设计规范》( GB50011 —2001)执行。

b沉井按立面形状可分为直壁形、阶梯形和锥形沉井

c 井筒底部设置刃脚,呈马蹄形,角钢护角。

d 井筒刃脚上部内壁设置止水凹槽,深度 100150mm,高度等于沉井底板的厚度。

e 沉井顶部设置井字梁板,以增加沉井的刚度。

f 沉井底板设置有集水坑,满足使用日后排水的功能要求。

1.2.2 一般构造要求

a 混凝土强度等级≥C25,抗渗等级≥P8

b 沉井井壁及底板厚度的确保原则:井壁厚度一般为井筒高度的 1/101/15h h为井筒高度),底板厚度≥1.1 dd为井壁厚度)。

c 底板与井壁相接处周圈设置 100150mm45°60 °斜八字角。

d 井壁在刃脚外缘处缩进 50100mm。呈圆柱带台阶形,减少下沉时的摩擦阻力。

1.3沉井技术的适用范围

(1)在城市市区采用沉井作为地下构筑物就无需打围护桩(钢板桩或其他围护桩),也不影响周围建()筑物,不需要支撑土壁及防水。因其本身刚度较大,沉井外侧井墙就能防止侧面土层的坍塌。

(2)如因场地狭窄,同时受附近建筑物或其他因素条件的限制,而不适宜采用大开挖的地点,可采用沉井法施工。[2]

(3)当地下水位较高,土的渗透性大,易产生涌流或塌陷的不稳定土壤,可采用沉井不排水下沉和水下浇筑混凝土封底。

(4)埋置较深的构筑物采用沉井法施工,从经济和技术角度来看,也比其他施工方法更为合理。

(5)给水排水工程的地下构筑物,多采用沉井。如江心及岸边的取水构筑物、城市雨污水泵站下部结构等。

(6)沉井可作为桥梁墩台的深基础,由于平面尺寸小,而下沉深度比较大,因此,在桥梁工程中广泛采用。[3]

(7)沉井可作地下构筑物的外壳。由于平面尺寸可根据需要进行设计,面积可达3000~4000m2,井内空腔并不填塞,形成地下空间,可满足生产和使用的需要,有时还可作为高层建筑的基础。[5]

(8)沉井可用作矿区的竖井,面积比较小,一般为圆形,直径在15m以内。但下沉深度却很深,一般要在100m以上,可用作上下人员、材料、产品(煤和矿石)的竖向通道,同时还可作为竖向风道之用。

(9)大型设备基础、地下仓库、人防掩蔽所、盾构拼装井、船坞坞首等均可采用沉井。

2 沉井施工技术在大同路老旧管网改造工程分析对比


以大同路老旧管网改造中砼沉井为例,在相同的工况条件作用下,沉井井壁分别采用直臂形和阶梯形两种类型作对比,如图1所示。

沉井按立面形状可分为直壁形、阶梯形和锥形沉井。一般工程多采用直壁形阶梯形,本文也以这两种类型作为研究对象,进行对比分析计算,研究不同类型的特点及适用情况。[4]

2.1直壁形算例

(一)  沉井尺寸:

沉井净长L1=7000mm,沉井净宽K1=6000mm,沉井净高G1=8600mm,沉井顶板厚H2= 400mm,沉井底板厚H3= 600mm,沉井壁厚H1= 800mm

(二)  已知条件:

1.       材料:

砼等级:

钢筋等级:

2.       荷载:

土重度:γ1=18KN/m3,钢筋混凝土重度:γ2=25KN/m3,单位摩阻力dml=18kpa

(三)  下沉验算

沉井底板下刃脚部分高900mm,沉井全高10100mm

沉井壁砼体积v1=8.6×7.6-7×6×10.1=235.94m3

沉井壁砼重gk=γ2×v1=5898.50kN

井壁总摩阻力ffk=(18×7.5+(8.64+18)×2.6/2)×8.6+7.6×2=5496.07kN

下沉系数kst=gk/ffk=1.07>1.05,满足下沉要求

承载力rb=8.6×7.6-6.7×5.7×140=3803.8kN

下沉稳定系数ksts=gk/ffk+rb=0.63<0.8,下沉稳定满足要求

(四)  井壁配筋计算算例:

1.         荷载计算

沉井刃脚底处垂直均布荷载标准值

gtx=18×10.1+0.4+2=225kN/m2

活荷载标准值35kN/m2

按永久荷载控制计算刃脚底处垂直均布荷载设计值

Qqx=1.3×225+1.5×0.71×35=329.78kN/m2

土的侧压力系数 K=0.405

刃脚底处水平均布荷载设计值

Qpx = K×Qqx = 0.405×329.78 = 133.56 kN/m2

2.         弯矩计算

固端弯矩计算

沉井壁左上节点右端固端弯矩设计值

沉井壁左上节点下端固端弯矩设计值

沉井壁左下节点上端固端弯矩设计值

沉井壁左下节点右端固端弯矩设计值

1)        计算节点分配系数

2)        利用力矩分配法分配弯矩

3)        弯矩设计值计算

沉井壁左上节点右端弯矩设计值Macs = -601.8kN·m

沉井壁左上节下端弯矩设计值Mabs = 601.8kN·m

沉井壁左下节点上端弯矩设计值Mbas = -601.45kN·m

沉井壁左下节点右端弯矩设计值Mbds = 601.45kN·m

沉井壁跨中弯矩设计值

3.         配筋计算

1)        沉井壁外层水平配筋计算

采用弯矩设计值 M = Mabs=601.8kN·m

板截面有效高度 h0 = Lh - 45 = 755mm

板受压区高度

相对受压区高度  x / h0 = 0.078< 0.518

计算所需钢筋面积

按最小配筋率计算钢筋面积 Amin = Pmin×b×h = 1600mm2< As

实配钢筋 18 @100

实配钢筋数量10

实配钢筋面积  As = 2544mm2

2)        沉井壁内层水平配筋计算

采用弯矩设计值 M = max (mzzxmbzx)=413.92 kN·m

板截面有效高度 h0 = Lh - 45 = 755mm

板受压区高度

相对受压区高度  x / h0 = 0.05 < 0.518

计算所需钢筋面积

按最小配筋率计算钢筋面积Amin = Pmin×b×h =1600mm2> As

实配钢筋  16 @100

实配钢筋数量8

实配钢筋面积  As = 1608mm2

3)        沉井壁垂直配筋按构造计算

按最小配筋率Pmin=0.2%

钢筋面积取 Amin = Pmin×b×h =1600mm2

实配钢筋   20@200

实配钢筋面积  As =1884mm2

(五)  沉井底板配筋计算:

1.         荷载计算

井壁自重产生的底板反力设计值

qg =1.5×0.71×35+1.3×18×2+25×0.4+1.3×5898.50/(7.8×6.8) = 241.64kN/m2

2.         内力计算

计算底板上层中部弯矩按四边简支双向板计算,根据《结构设计手册》弹性理论双向板计算简图查表2.6.1_1得短边计算长度 La=6.8m ,长边计算长度Lb=7.8m, ,弯矩系数 Ma=0.0484Mb=0.0352,均布荷载设计值 q = 121.83 kN/m2

底板上层弯矩设计值

1)        底板上层配筋计算

板截面有效高度 h0 = Lh - 45= 555mm

板受压区高度

相对受压区高度  x / h0 = 0.140 < 0.518

计算所需钢筋面积

按最小配筋率计算钢筋面积Amin = Pmin×b×h =1600mm2> As

实配钢筋  22 @100

实配钢筋数量 9

实配钢筋面积  As = 3421mm2

2)        底板下层按构造配筋计算

按最小配筋率Pmin=0.2%

钢筋面积取Amin = Pmin×b×h =1600mm2

实配钢筋  22 @100

实配钢筋面积  As = 1900mm2

2.2阶梯形算例

(一)  沉井尺寸:

沉井净长L1=7000mm,沉井净宽K1=6000mm,沉井净高G1=8600mm,沉井顶板厚H2= 400mm,沉井底板厚H3= 600mm,沉井壁厚H1= 500mm

(二)  已知条件:

3.       材料:

砼等级:

钢筋等级:

4.       荷载:

土重度:γ1=18kN/m3,钢筋混凝土重度:γ2=25kN/m3,单位摩阻力dml=18kpa

(三)  下沉验算

沉井底板下刃脚部分高900mm,沉井全高10100mm

沉井壁砼体积v1=8×7-7×6×10.1=141.40m3

沉井壁砼重gk=γ2×v1=3535kN

井壁总摩阻力

         ffk=18×1.5×8+7×2+(9×6+(4.32+9)×2.6/2)×8+7×2=2981.88kN

下沉系数kst=gk/ffk=1.19>1.05,满足下沉要求

承载力rb=8.3×7.3-6.7×5.7×140=3136kN

下沉稳定系数ksts=gk/ffk+rb=0.58<0.8,下沉稳定满足要求

(四)  井壁配筋计算

1.         荷载计算

沉井刃脚底处垂直均布荷载标准值

gtx=18×10.1+0.4+2=225kN/m2

活荷载标准值35kN/m2

按永久荷载控制计算刃脚底处垂直均布荷载设计值

Qqx=1.3×225+1.5×35×0.71=329.78kN/m2

土的侧压力系数cyxs=0.405

刃脚底处水平均布荷载设计值

qxh=cyxs×Qqx = 0.405×329.78 = 133.56kN/m2

2.         弯矩计算

1)        固端弯矩计算

沉井壁左上节点右端固端弯矩设计值

  

沉井壁左上节点下端固端弯矩设计值

沉井壁左下节点上端固端弯矩设计值


沉井壁左下节点右端固端弯矩设计值

2)        计算节点分配系数

3)        利用力矩分配法分配弯矩

4)        弯矩设计值计算

沉井壁左上节点右端弯矩设计值Macs = -554.04 kN·m

沉井壁左上节下端弯矩设计值Mabs =554.04kN·m

沉井壁左下节点上端弯矩设计值Mbas = -554.04 kN·m

沉井壁左下节点右端弯矩设计值Mbds = 554.04kN·m

沉井壁跨中弯矩设计值

2.3 配筋计算

1)        沉井壁外层水平配筋计算

采用弯矩设计值 M = Mabs=554.04kN·m

板截面有效高度 h0 = Lh - 45 =455mm

板受压区高度

相对受压区高度  x / h0 = 0.209 < 0.518

计算所需钢筋面积

按最小配筋率计算钢筋面积 Amin = Pmin×b×h = 1000mm2 < As

实配钢筋  22@100

实配钢筋数量10

实配钢筋面积  As =3801mm2

2)        沉井壁内层水平配筋计算

采用弯矩设计值 M = max (mzzxmbzx)=385.05 kN·m

板截面有效高度 h0 = Lh - 45 = 455mm

板受压区高度

相对受压区高度  x / h0 = 0.13 < 0.518

计算所需钢筋面积


按最小配筋率计算钢筋面积Amin = Pmin×b×h =1000mm2<As

实配钢筋  18 @100

实配钢筋数量10

实配钢筋面积  As = 2545mm2

3)        沉井壁垂直配筋按构造计算

按最小配筋率Pmin=0.2%

钢筋面积取 Amin = Pmin×b×h =1000mm2

实配钢筋   16@200

实配钢筋面积  As =1005mm2

(五)  沉井底板配筋计算

1)        荷载计算

井壁自重产生的底板反力设计值

qg =1.5×0.71×35+1.3×18×2+25×0.4+1.3×3535/7.5/6.5=191.34kN/m2

2)        内力计算

计算底板上层中部弯矩按四边简支双向板计算,根据《结构设计手册》弹性理论双向板计算简图,查表2.6.1_1 得短边计算长度 La=6.5m,长边计算长度Lb=7.5m弯矩系数 Ma=0.0496 Mb=0.0351,均布荷载设计值 q = 191.34kN/m2

底板上层弯矩设计值

3)        底板上层配筋计算

板截面有效高度 h0 = Lh - 45= 555mm

板受压区高度

相对受压区高度  x / h0 = 0.112 < 0.518

计算所需钢筋面积

按最小配筋率计算钢筋面积Amin = Pmin×b×h =1200mm2 > As

实配钢筋  18 @100

实配钢筋数量 10

实配钢筋面积  As = 2544mm2

4)        底板下层按构造配筋计算

按最小配筋率Pmin=0.2%

钢筋面积取Amin = Pmin×b×h =1600mm2

实配钢筋  18 @100

实配钢筋面积  As = 1781mm2

3 经济分析

3.1实际经济分析对比

1经济对比表

沉井井壁形式

直壁形

阶梯形

节约百分比(%

钢筋用量(t

24.08

21.02

12.71

混凝土用量(m3

277.94

183.40

34.01

钢筋综合单价(元)

127220.66

112020.75

11.95

混凝土综合单价(元)

226495.53

149454.13

34.01

措施项目费(元)

13719.82

10225.67

25.47

税金(元)

33069.24

24453.05

26.05

合计(万元)

40.06

29.62

26.06

由上表可以得出:在同等工况条件作用下,阶梯形沉井的成本明显低于直壁形。而在本工程中涉及到两个沉井项目,大约可节省21万元工程成本。

3.2适用条件

直壁形井壁侧阻力较大,当土体密实,下沉深度较大时,易出现下部悬空,造成井璧拉裂。阶梯形沉井可减小土与井壁的摩阻力,且井壁的侧压力分布性能较为合理。

3.3综合效益

沉井作为一种特殊结构,以其内部空间可利用及对邻近建筑影响小、施工方便等特点,已成为软土地基中地下建筑物的主要基础类型之一。结合沉井作为老旧管网改造工程的应用,分析阶梯形砼沉井(无地下水)和直臂式(无地下水)沉井的适用条件和经济效益。

沉井在施工阶段内力与其方案选型密切相关,所以在沉井设计中必须结合现场条件、施工条件先确定选型方案,再按既定方案设计。同时在对两种不同井壁相同尺寸的沉井材料用量的对比得出相对于直臂式的来说,阶梯形沉井具有经济性能,在保证安全性能的基础上节省了工程成本。通过对沉井验算,保证其稳定性,为集中供热取得良好效果奠定坚实的基础。

参考文献:

[1]段良策、殷奇编著《沉井设计与施工》同济大学出版社

[2]《混凝土结构工程施工质量验收规范》 GB50204-2002

[3] 国家标准.给水排水钢筋混凝土沉井结构设计规程.(CECS137:2002).

[4] 国家标准.混凝土结构设汁规范.(GB50010-2002).

[5] 葛春辉.钢筋混凝土沉井结构设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

作者信息:

姓名:赵曦

生日:1989.1.18

职称:中级工程师

单位:太原市热力设计有限公司

电话:15003405716

邮箱:295035697@qq.com

论文方向:长输管线设计、建设关键技术与标准


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