某特大类垃圾焚烧发电厂采用三台日处理量为750t的焚烧炉, 属于特大类垃圾焚烧厂。厂址位于北京市通州区, 抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.20g, 场地类别为Ⅲ类。场区基本风压为0.45kN/m², 地面粗糙度为B类。基本雪压为0.40kN/m²。

　　 主厂房结构分为卸料大厅及垃圾池、渣池及炉后操作平台、锅炉间及烟气净化间、门厅及公共用房、自控用房、汽机用房6个部分 (图1) 。其中卸料大厅及垃圾池 (图2) 为钢筋混凝土框架-剪力墙结构, 长约118m, 宽约68.6m, 高约46m, 由于工艺要求不允许设缝, 卸料大厅楼板、垃圾池底板及池壁与炉前平台属于超长混凝土结构。垃圾池上方设3台20t垃圾吊车, 2用1备, 跨度37.3m, 工作级别A8。屋面采用钢网架结构, 屋面板采用金属复合夹芯板。锅炉间及烟气净化间 (图3) 为钢框架结构的单层厂房, 长约113m, 宽约110m, 高约36～46m, 屋面采用钢网架结构。其余4个部分为钢筋混凝土框架结构。

　　 主厂房结构形式应根据厂房柱网布置及尺寸、建筑高度、地震烈度、施工条件、建设进度等因素进行必要的技术、经济比较后确定。本工程垃圾池与卸料大厅相连, 考虑到经济性、耐久性、设计难度和施工难度等因素, 此部分选为框架-剪力墙结构, 用SATWE建模计算, 垃圾池壁按照抗震墙设计。池壁顶标高截止至24.5m, 混凝土柱 (1 800×800) 从标高24.5～42.7m为框排架柱, 按照框架结构确定其抗震等级为一级。框排架柱柱底弯矩较大, 在24.5m标高处柱截面800mm宽边纵筋配筋率接近《高规》^[1]限值1.2%。纵筋采用三级钢, 布置需采用并筋形式。若在更高抗震设防烈度区时, 可以考虑更高强度等级钢筋或采用型钢混凝土柱。

　　 锅炉间及烟气净化间原拟采用混凝土框架结构, 结构耐久性、建筑密闭性及工程经济性都较为合理, 施工难度小。后因考虑到施工进度要求, 改用了钢框架结构, 提高了设计难度。多数钢柱一方向能与其他钢柱连接, 另一方向仅能与柱顶网架相连, 导致这一方向钢柱长细比难以满足规范要求 (钢柱柱顶最高达到约43.7m) 。为解决钢柱长细比问题, 钢柱采用双肢圆钢管格构柱, 柱主管ϕ426×12.0, 间距2.5m, 柱支管ϕ180×8.0。部分钢柱采用四肢圆钢管格构柱, 主管两方向间距均为2.5m。钢梁采用四肢圆钢管桁架梁, 梁主管ϕ219×10.0, 梁支管ϕ140×6.0。钢梁在高度上约13～15m一道 (图3) 。

　　 传统软件 (PKPM, YJK) 中钢柱可以用格构式柱建模, 但是无桁架梁截面模型。梁柱相交于一点, 模型中仅有一个节点。本工程钢结构采用同济大学研发的3D3S软件设计, 将每根圆钢管均建立模型, 能够分析每段主管和支管是否满足规范要求, 但是钢柱整体是否满足长细比或者稳定性要求需要人工核算或者用传统软件模拟核算。屋面钢网架也可使用3D3S软件设计, 与下部结构一同建模计算。

　　 垃圾池是垃圾焚烧厂最主要臭源, 垃圾及其渗滤液具有强腐蚀性、强污染性, 一旦发生泄漏将产生严重后果。

　　 垃圾池壁所受的垂直于池壁平面的垃圾侧向压力, 使用YJK软件能够直接输入在墙单元上, 使用SATWE可将侧向压力简化成节点力加载到每层的节点上。YJK软件能够方便查看池壁在加载垃圾堆载侧向压力及温度荷载后的变形、内力、应力和配筋。通过对比两个软件计算出的池壁侧向变形, 发现两种软件、两种方法得到的结果接近, 证明了垃圾侧向荷载输入结果的可靠性。由于进料平台处垃圾堆载最大高度可达到24.5m, 垃圾的侧向推力非常大, 而抵抗侧向推力的竖向构件仅有⑨, ⑩轴的两排框架柱 (1 800×800) , 在SATWE中将8.0, 13.0, 24.5m炉前平台楼板设置为弹性楼板6后 (考虑平面内刚度) , 计算结果显示池壁中部 (○P轴) 侧向变形非常大, 变形结果见表1。○P轴附近的框架柱X向配筋达到348cm², 单侧配筋率达到2.4%, 全截面配筋超过5%。

　　 若不考虑选用弹性楼板6计算楼板平面内刚度, 计算结果显示池壁中部 (○P轴) 侧向变形非常小, 结果见表1, 框架柱配筋为构造配筋, 这与实际变形情况是不符的。

　　 炉前平台楼板 (150～250mm厚) 由于长宽尺寸相差悬殊 (长102.4m, 宽10.6m) , 由图4可以看出, 是否计算平面内刚度对结构受力和变形结果有极大影响, 应引起设计人员的重视。为减小池壁、楼板侧向变形, 本工程在○R轴和○L轴从基础底板至8m炉前平台设置两道1.1m厚混凝土墙。8m炉前平台楼板成为了抵抗垃圾侧向压力的池壁“主梁”, 而池壁柱成了“次梁”。同样采用弹性模板6计算, 结构变形减小, 结果见表1。

　　 垃圾的堆载高度如图2所示。垃圾对池壁有很大的侧向压力。垃圾的容重与侧向压力大小密切相关, 垃圾的力学性质和土也有所差别, 目前未找到相关规范对垃圾容重和垃圾侧向压力计算提出要求。按照以往经验, 生活垃圾较为松散, 其初始容重约为4.5kN/m³, 但经过长期堆放, 其底部垃圾经压实后, 容重会增加。据使用单位反映, 经过一段时间运行后, 垃圾池底部由于排水不畅, 往往会积有大量泥水, 厚度能达2～3m, 甚至更高, 其容重可达10kN/m³以上。综上所述, 本工程生活垃圾的平均容重按7kN/m³计算。垃圾的侧压力按静止土压力公式计算:

　　 ${\rm P}{}_0={\rm K}{}_0\gamma {\rm Z}$

　　 式中:P₀为静止侧向压力强度, kPa;γ为垃圾的重度, kN/m³;Z为计算点的深度, m;K₀为静止土压力系数, 取0.5。

　　 因为垃圾堆载高度在卸料口处低, 在进料平台处高, 卸料口侧的垃圾侧向压力宜适当放大。垃圾池壁由框架柱和楼板分隔为双向板或者单向板。不同位置应根据不同的受力、支座情况计算配筋。

　　 本工程设计时将垃圾最大堆载时的侧向压力作为活荷载输入, 与地震作用同时考虑 (组合值系数相当于0.5) 。此类结构垃圾侧向压力与地震作用的组合方法还有待研究与规定。垃圾堆载直接落在基础底板上, 垃圾池满仓情况下 (垃圾按照图2堆载示意堆放) 总重达到3.5万t, 与卸料大厅及垃圾池的结构总重3.9万t接近, 松散垃圾堆载的地震作用如何考虑也有待研究与规定。垃圾池壁超长, 为满足有效参与质量系数超过90%, 本工程计算了130个振型。超长池壁剪力占本层总剪力的百分比可以达到30%～50%, 不可避免地超过了《高规》^[1]8.1.7条限值。选取⑩轴交Ⓗ轴框架柱为柱1, ⑩轴交○M轴框架柱为柱2, 它们与Ⓕ轴垃圾池壁、○L轴混凝土墙在不同荷载作用下底层剪力标准值和不同荷载组合作用时剪力设计值如表2, 3所示, 组合1 (1.0恒荷载+1.4 (活荷载+0.6温度作用) ) 中活荷载为主导荷载, 组合2 (1.2 (恒荷载+0.5活荷载) +1.3X向地震作用) 中地震作用为主导荷载, 组合3 (1.0恒荷载+1.4 (温度作用+0.7活荷载) ) 中温度作用为主导荷载。此次分析中未考虑风荷载、吊车荷载。

　　 从表2可以看出, 混凝土墙体承担了绝大部分的垃圾堆载水平推力和水平地震力, 且Ⓕ轴、○L轴混凝土墙的垃圾堆载水平推力标准值分别是其水平地震剪力标准值的1.86, 5.19倍。框架柱底部承担的垃圾堆载水平推力不多, 承担的水平地震力和其位置有很大关系。从表3可以看到, 垃圾池端部墙体以及框架柱的剪力控制组合仍然是地震主导的组合, 这是由于一级剪力墙、一级框架柱分别有1.6, 1.5倍的剪力增大系数以及框架柱还有0.2V₀调整系数的缘故。垃圾池中部的混凝土墙体, 剪力控制组合则是活荷载主导的组合。

　　 本工程X, Y向规定水平力下框架柱地震倾覆力矩百分比分别为15.9%, 18.7%, 根据《高规》^[1], 按框架-剪力墙结构进行设计。框架柱地震剪力百分比及0.2V₀调整系数见表4。0.2V₀调整中, 8m卸料大厅以下为一段, 8～24.5m为一段, 24.5m以上仅有框架柱, 不做调整。由于垃圾池底部墙体为了抵抗垃圾堆载水平推力, 厚度达500～600mm, 故底部地震力基本被池壁承担, 8m以下框架柱剪力均需要调整, 调整系数范围为1.5～2.28。8m以上框架柱的剪力除了13m (X向) 不需要做调整, 其余也均需要进行调整, 调整系数范围为1.31～1.82。

　　 垃圾池长102.4m, 宽30.4m, 由于工艺要求不能设缝, 属于超长结构。本工程为避免池壁开裂, 设置了两道后浇带, 用补偿收缩混凝土内加复合型膨胀减水剂封闭, 限制膨胀率≥0.025%, 封闭用混凝土强度等级比原结构混凝土强度等级提高一级并加强养护。纵向钢筋在满足承载力和抗裂要求的情况下, 适当加大配筋, 提高结构抗裂性能。

　　 参照《混凝土结构耐久性设计规范》 (GB/T 50467—2008) ^[2], 垃圾池、渣池、渗滤液池环境类别为Ⅴ类, 环境作用等级为C (中度) , 腐蚀性等级为中等腐蚀。垃圾池、渗滤液池池壁及池底采用C40防水混凝土, 防水等级P8。为减免混凝土收缩裂缝和提高混凝土密实性、耐久性, 垃圾池、渣池、渗滤液池均采用掺加高性能混凝土膨胀剂的补偿收缩混凝土。为了提高抗渗性能、耐磨性能、抗冲击性能及韧性, 在垃圾池、渗滤液池、渣池内掺加0.9～1.1kg/m³聚丙烯纤维, 做法按照《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》 (GB/T 21120—2007) ^[3]的要求执行。垃圾池部分要求精心施工, 混凝土浇灌后应认真做好养护工作, 严防产生干缩裂纹。池壁水平施工缝必须设钢板止水带。施工池壁时不得使用拉杆套管, 防止池内渗滤液沿套管渗至池外。同时, 建筑和工艺上也需采取有效可靠措施, 保证垃圾池在防腐、防渗上满足要求。

　　 拟建场地原为鱼塘, 鱼塘清淤后坑底最大深度约10.0m, 需大面积回填至设计室外标高。勘探深度 (40.0m) 范围内的地层划分为人工填土层, 新近沉积层及一般第四纪冲洪积层, 地基承载力较小。垃圾池、渣池等部分采用桩筏基础, 其余部分采用柱下桩承台基础。

　　 垃圾池底板厚度700mm, 在池壁下加厚至1 200mm, 筏板在池壁同样位置设置两道东西向后浇带。由于垃圾池靠近东侧进料平台处垃圾堆载高, 靠近西侧卸料口处低, 桩基采用了东密西疏的布置方式。桩基采用机械成孔灌注桩, 桩径600mm, C30混凝土, 桩长不小于30m, 桩竖向抗压承载力特征值为2 000kN, 桩竖向抗拔承载力特征值为350kN。垃圾池底板埋深约6～8m, 由于场地地下水位较高, 在垃圾池空仓时底板下部分桩基成为抗拔桩。经核算, 根据抗压布置的桩基抗拔承载力能够满足垃圾池抗浮要求。

　　 垃圾池内的垃圾堆载水平推力, 通过池壁外侧回填土的被动土压力、筏板与土之间的摩擦力以及桩基水平承载力来平衡。

　　 锅炉间及烟气净化间为大平面尺度的单层钢结构厂房, 层高较高, 四周钢柱出挑外挂错动布置的金属镂空铝板幕墙, 出挑长度约2～13m, 在风荷载、温度荷载以及出挑外挂幕墙自重作用下, 钢柱柱底出现较大弯矩, 部分桩基甚至成为抗拔桩。设计中采用加深基础埋深、加大基础承台尺寸、加大桩间距等方法来防止钢柱发生倾覆。

　　 卸料大厅长约118m, 宽28.6m, 柱距6～8m, 楼板被主、次梁分隔成约2m×7m的单向板, 承受40t垃圾运输车频繁碾压。楼板未设结构缝, 设两道后浇带, 掺加0.9～1.1kg/m³聚丙烯纤维提高耐磨性能。次梁方向均为楼板纵向, 提高楼板纵向的抗裂性能。

　　 垃圾车总重40t, 长9m, 宽2.5m, 其他参数参考《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60—2015) ^[4]中55t车的主要技术指标, 轴重140kN。楼板厚度选用220mm。计算得到的楼板等效活荷载达到45kN/m²。这与《生活垃圾焚烧处理工程技术规范》 (CJJ 90—2009) ^[5]给出的用于初步设计估算的一般值15～20kN/m²有较大差别, 应引起设计人员重视。根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[6]第5.1.2条规定, 计算次梁时活荷载折减到36kN/m², 计算主梁时活荷载折减到27kN/m², 计算柱和基础时, 活荷载折减到22.5kN/m²。计算次梁时等效活荷载也可按《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[6]附录C.0.7条计算。垃圾运输车投影面积内的荷载为400/9/2.5≈17.8kN/m², 因此等效活荷载的选取是保守的。传统软件在计算中不能自动考虑梁、柱的活荷载折减系数, 需要输入不同活荷载值来计算板、梁、柱、基础等不同构件。

　　 以往的卸料大厅设计中, 混凝土楼板上设有80mm厚的配筋混凝土垫层, 实践表明经过垃圾车的频繁碾压, 垫层往往有开裂, 影响美观。此次设计中取消了垫层, 楼板采用P6级防水混凝土, 掺加水泥基渗透结晶本体防水添加剂PNC803, 混凝土强度达标后表面撒布2～3mm厚金属骨料, 最上层为3.0mm厚环氧涂层, 作为一种新的尝试。

　　 卸料大厅、炉前平台长度达到了118.6m, 垃圾池长度达到102.4m, 选用PKPM和MIDAS软件对其进行温度荷载分析。

　　 卸料大厅、炉前平台和垃圾池没有直接暴露在室外, 温度应力不考虑太阳辐射、昼夜气温变化, 仅考虑冬、夏月气温差的影响。结构的合拢温度一般选用后浇带封闭时的月平均气温。根据《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2012) ^[6], 北京地区月平均最高气温36℃, 月平均最低气温-13℃, 考虑到室内外温差 (室内设有暖气) , 垃圾池内垃圾发酵产生热量, 以及工业房间内热源分布不均 (如垃圾池一侧靠近锅炉) 等问题, 选用25℃的温降来分析结构中温度应力的情况。使用MIDAS计算出的变形示意图见图5。计算结果显示纵向最大节点位移约2cm, 长118m不受约束的混凝土板温降25℃的总变形为:d=LΔTα_c=2.95cm (L为构件长度, m;ΔT为温差, ℃;α_c为混凝土线膨胀系数, 1×10^-5/℃) , 两者是接近的。

　　 MIDAS计算的卸料大厅楼板、炉前平台楼板以及垃圾池壁在温度荷载作用下的单位宽度最大主轴力结果见图6、图7。

　　 从图6、图7可以看到, 卸料大厅楼板、炉前平台楼板的中部靠近垃圾池侧出现较大拉应力。垃圾池壁下端约束较大, 温度应力也较大, 角部应力很大, 可能是有限元计算中出现了应力集中现象。冬夏气温变化是一个长期的过程, 可以考虑混凝土的徐变和收缩效应, 减小混凝土构件温度应力。PKPM中默认的折减系数为0.3。计算选取①, ②轴之间的纵向次梁B (离垃圾池壁较远) 与④, ⑤轴之间的纵向次梁A (离垃圾池壁较近) 进行对比分析。

　　 PKPM与MIDAS计算结果的对比如图8所示。从图中可以看出, 纵向次梁的轴力关系与楼板计算结果一致, 靠近垃圾池侧的纵向次梁轴力大, 平台中部的纵向次梁轴力大。考虑温度荷载后, 温度应力较大部位的梁配筋会有较大的增加。

　　 温度作用的模拟计算比较困难, 主要是因为实际建筑布局复杂, 实际热源较难考虑, 因此, 在材料、施工和设计中采取多种措施来减小温度应力以及提高抗力显得尤为重要。为了减小温度应力, 应当选择大气温度降低时进行混凝土板、混凝土墙浇筑, 降低入模时的温度。后浇带封闭应选择当地温度较低时期。在设计过程中应在混凝土板、混凝土墙温度应力较大的位置设置通长的温度钢筋, 温度应力较大的纵向梁也应设置通长的温度钢筋, 提高构件的抗裂能力。在混凝土板、混凝土墙中添加聚丙烯纤维, 浇筑完成后认真做好混凝土养护工作, 这些措施都能提高混凝土的抗裂性能。

　　 垃圾池散发出来的气体具有腐蚀性, 尤其当屋面保温做得不好, 出现结露现象时, 屋面更容易出现钢结构的腐蚀现象。本工程钢结构构件除锈等级Sa2.5, 除锈后, 涂刷防腐涂料总厚度280μm, 使用年限大于15年。

　　 垃圾池屋盖网架构件除锈后所有构件均需喷锌, 喷涂锌的金属覆盖层厚度为120μm, 其上再涂环氧密封底涂料20μm, 环氧云铁中间漆1道, 干膜厚度40μm;聚氨酯面漆3道, 干膜厚度100μm;合计厚度为280μm。屋面板、墙面板均采用镀铝锌板, 镀层规格AZ-200。屋面、墙面檩条表面镀锌, 镀锌量275g/m²。

　　 随着城市生活垃圾的日益增多, 垃圾焚烧发电厂作为我国新兴的环保产业, 将来必定有长足发展。特大类垃圾焚烧厂平面尺寸大, 因工艺限制易形成超长结构, 且主厂房受力复杂, 结构设计难度大。设计时应注意以下问题:

　　 (1) 主厂房结构形式应根据厂房柱网布置及尺寸、建筑高度、地震烈度、施工条件、建设进度等因素进行必要的技术、经济比较后确定。

　　 (2) 垃圾池这类受力复杂、环境恶劣的超长结构应在荷载取值、计算模拟、材料选用、设计构造、施工养护等方面采取措施, 确保结构安全, 满足结构耐久性要求。

　　 (3) 与垃圾池壁相连的狭长楼板作为池壁侧向支撑时, 应选用弹性楼板计算。

　　 (4) 垃圾容重、垃圾侧向压力计算方法、垃圾侧向压力与地震作用组合方法还需要进行研究和规定。

　　 (5) 计算软件能够模拟计算出温度应力大小的分布情况, 但是给出准确数值还较为困难, 采用多种手段减小温度荷载产生的应力以及提高结构构件抗力十分重要。