劉蘭蘭,胡 楊,馮雪花

(大連市化工研究設(shè)計(jì)院,遼寧 大連 116023)

工業(yè)水池設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

劉蘭蘭,胡 楊,馮雪花

(大連市化工研究設(shè)計(jì)院,遼寧 大連 116023)

針對鋼筋混凝土矩形水池結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),從荷載的選取與組合、內(nèi)力計(jì)算方面,介紹了鋼筋混凝土矩形水池設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問題;探討了保證水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)合理及安全有效的簡化計(jì)算。在滿足工藝條件和保證安全使用的前提下,通過對比分析,總結(jié)了開敞式鋼筋混凝水池計(jì)算的簡化方法,供同行參考。

矩形水池;荷載組合;簡化計(jì)算

水池是工業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中不可缺少的重要構(gòu)筑物,在純堿、干銨等各類廠房建筑中,由于工藝要求,一般都會包含對水池的設(shè)計(jì)(例如污水池、緩沖池等)。池體結(jié)構(gòu)一般由池壁、底板和頂蓋所組成。從結(jié)構(gòu)類型來看,水池可分為無頂蓋的開敞式池、有頂蓋的封閉式池和帶走道板的半封閉式池;按幾何形狀分為:圓形和矩形;按安置方式可分為:地下式、半地下式和地上式;因建筑材料不同又可分為:磚池、漿砌石池、鋼筋混凝土池等。

鋼筋混凝土矩形水池,在工業(yè)水池設(shè)計(jì)中占較大比例。一方面,矩形水池對場地適應(yīng)性較強(qiáng),特別是在狹長地帶,矩形水池有利于節(jié)約用地、減少開挖,同時(shí)又便于配合工藝要求進(jìn)行水池間的組合和管道連接;另一方面,矩形水池的模板制作以及施工簡單;另外,鋼筋混凝土的主要優(yōu)點(diǎn)是便于取材,耐久性、防腐蝕、防滲性能好。

對于土建人員來講,即要滿足工藝要求,又要使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,計(jì)算簡便。本文結(jié)合某干銨廠房其中的一個(gè)環(huán)保池的設(shè)計(jì)過程對鋼筋混凝土矩形水池的計(jì)算進(jìn)行總結(jié),并提出了合理可靠簡便的計(jì)算方法。

1 截面尺寸的確定

水池的主要尺寸由工藝要求及設(shè)計(jì)技術(shù)條件確定?，F(xiàn)澆整體式頂板的厚度:當(dāng)采用肋梁頂蓋時(shí)不宜小于100 mm,當(dāng)采用無梁板時(shí)不宜小于120 mm。水池池壁的厚度:一般認(rèn)為從構(gòu)造要求出發(fā),池壁壁厚宜選取在150～300 mm,如果厚度過大對溫度應(yīng)力不利,太薄會使混凝土受壓區(qū)變小對設(shè)計(jì)不利,同時(shí)也會造成施工困難。底板厚度:采用分離式底板時(shí),底板厚度不宜小于120 mm,并在底板頂面配置鋼筋網(wǎng),必要時(shí)也要在底板底面配置,確保底板在溫度、濕度變化影響下以及地基中存在局部軟弱土層時(shí)不至于開裂;整體式底板的厚度:當(dāng)采用肋梁時(shí)不宜小于120 mm,當(dāng)采用平板或無梁底板時(shí)不宜小于150 mm。水池底板一般應(yīng)挑出,挑出長度宜為1～1.5倍的池壁厚度。

2 荷載的選取與組合

2.1 荷載的分類

2.1.1 頂板荷載

對于有頂蓋的封閉式水池,頂板作用的荷載由恒載及活載組成,恒載包括覆土荷載和頂板自重;活荷載包括頂板活荷載和地面活荷載。全地下水池,只考慮地面活荷載;半地下式或地面水池,只考慮頂板活荷載;敞口水池?zé)o頂板荷載計(jì)算。

2.1.2 池壁荷載

池壁作用的荷載包括:池內(nèi)水壓力、池外土壓力、池外地下水壓力、地面活荷載及溫度(濕度)作用產(chǎn)生的應(yīng)力。

1)池內(nèi)水壓力(作用于壁板內(nèi)側(cè))是水池承受的主要荷載之一,偏于安全考慮按滿池來計(jì)算水壓。

2)對地下或半地下式水池,土對池壁有側(cè)壓力。側(cè)壓力通常用朗肯土壓力理論計(jì)算,土的各參數(shù)可按巖土勘察報(bào)告所提供的實(shí)際數(shù)值取用。

3)當(dāng)?shù)叵滤痪€在水池埋置深度范圍內(nèi),池壁外側(cè)除考慮地下水位以下的土由于水浮力使土的有效重度降低而對土壓力的影響。同時(shí),地下水對池體的托浮也不容忽視,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算,并采取有效措施防止水池漂浮事故發(fā)生。

2.1.3 底板荷載

池底所受的荷載為地基反力,一般按均布考慮,在計(jì)算地基反力的過程中,不應(yīng)把池內(nèi)液體的自重加入計(jì)算,因?yàn)槌貎?nèi)液體的自重對于底板而言為有利條件,它的存在可以削弱地基反力對底板的影響。地下水壓力對水池底板的托浮力是威脅水池底板安全的一種主要荷載,設(shè)計(jì)過程中應(yīng)予以重視。為了抵消地下水對底板的影響,在無梁板作為底板時(shí),其最經(jīng)濟(jì)最有效的辦法是以池底挑出部分的填土來平衡,而采用增加結(jié)構(gòu)自重的方法是不經(jīng)濟(jì)的。

2.1.4 溫、濕度荷載

由于混凝土硬化過程中產(chǎn)生的水化熱、工藝要求以及季節(jié)變化等,造成池壁產(chǎn)生膨脹和收縮。當(dāng)變形受到約束時(shí),在池體中產(chǎn)生相應(yīng)的溫度或濕度應(yīng)力,從而導(dǎo)致混凝土池壁產(chǎn)生裂縫。對于冬夏或早晚溫、濕差較大的地區(qū),溫、濕度荷載計(jì)算不可忽略[1]。

2.2 荷載的組合

水池設(shè)計(jì)中通常考慮以下三種工況:

①池內(nèi)水壓+自重(對應(yīng)工況為:池內(nèi)有水,池外無土)。

②池外土壓+自重(對應(yīng)工況為:池內(nèi)無水,池外有土)。

③池內(nèi)水壓+自重+溫、濕度荷載。

第①種工況為閉水試驗(yàn);第②種工況為池內(nèi)無水(如建成運(yùn)營前、檢修期),而池外有土,同時(shí)還需考慮地面堆積荷載以及池外地下水壓力共同作用。

第①、②種工況是半地上式和地下式水池的必需組合;第③種工況用于冬夏或早晚溫、濕差大的地區(qū),并且沒有采取任何保溫措施的水池。

3 內(nèi)力計(jì)算

水池的內(nèi)力計(jì)算包括池壁內(nèi)力計(jì)算和底板內(nèi)力計(jì)算。不同邊界條件和地基反力模型的選取對水池的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果有很大影響。底板計(jì)算時(shí),視水池底板的結(jié)構(gòu)形式而定,當(dāng)水池池壁采用獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí),底板的反力按直線分布考慮;對于一般結(jié)構(gòu)平面尺寸較小的水池,底板多為等厚平板,須按不同荷載情況計(jì)算內(nèi)力,再進(jìn)行組合疊加。

以下重點(diǎn)介紹池壁內(nèi)力計(jì)算的方法及其應(yīng)注意的問題。

水池池壁的內(nèi)力按彈性理論計(jì)算,矩形水池的壁板為矩形板,其計(jì)算可按混凝土結(jié)構(gòu)矩形板的計(jì)算方法劃分為單向板和雙向板進(jìn)行計(jì)算。

矩形水池的水平轉(zhuǎn)角在計(jì)算假定時(shí),被認(rèn)為是相鄰池壁的支座,池壁要承擔(dān)水(土)壓力引起的邊緣負(fù)彎矩,因而受力鋼筋需要可靠的錨固。又因池壁較薄,受力鋼筋通常需要彎折到相鄰池壁中,這樣由于鋼筋相互錨固,以及連續(xù)配筋和構(gòu)造配筋,從而節(jié)點(diǎn)處可認(rèn)為固接,如圖1所示。

圖1 開敞式全地下矩形水池計(jì)算簡圖

池壁底端土壓力標(biāo)準(zhǔn)值為:q=γH Ka

式中:Ka=tan2(45°-);

q——池壁底端土壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;

γ——土的天然重度,kN/m3;

H——池壁的高度,m;

L——池壁長度,m;

Ka——主動土壓力系數(shù);

φ——土的內(nèi)摩擦角C0。

為了便于對比分析,本文針對開敞式矩形水池池壁分別取三種模型:H=3.0 m、H=4.0 m和 H=5.0 m,三種模型的 H/L(L為池壁長度,H為池壁高度)的值對應(yīng)相同,不考慮地下水及地面活荷載的影響,荷載取第②種工況組合,土的內(nèi)摩擦角取30°,土的重度取 18 kN/m3。

則當(dāng):

H=3.0 m時(shí) q=γH Ka=18 kN/m2

H=4.0 m時(shí) q=γHKa=24 kN/m2

H=5.0 m時(shí) q=γHKa=30 kN/m2

具體如表 1、2、3。且表 1、2、3中:

M下——池壁底部外側(cè)彎矩;

M左、M右——池壁兩側(cè)(如圖1為左側(cè)和右側(cè))的彎矩;

M水平、M豎向——池壁內(nèi)側(cè)跨中彎矩。

表1 H=3.0m,q=18 kN/m2

表2 H=4.0 m,q=24 kN/m2

表3 H=5.0 m,q=30 kN/m2

圖2 池壁底部外側(cè)彎矩與 H/L的關(guān)系

由表1、2、3中數(shù)據(jù)可知:當(dāng)時(shí) L/H ＜0.5,板底彎矩為零;當(dāng) L/H＞0.5時(shí),無論是按單向板還是雙向板考慮,都是池壁底部外側(cè)彎矩起控制作用;圖2能明顯的看出:3條曲線外形一致,而且有著同樣的“拐點(diǎn)”,而“拐點(diǎn)”對應(yīng)的橫坐標(biāo)幾乎為同一點(diǎn),為L/H=2.8處。當(dāng) L/H＞2.8時(shí),按板計(jì)算時(shí)的底部外側(cè)彎矩趨于定值(M定)。

下面把3種模型中當(dāng)L/H＞2.8時(shí)的池壁做簡化計(jì)算:取1 m寬的豎向板帶,如圖3所示,簡化為懸臂梁(梁寬1 m,梁高為板厚),如圖4所示。

圖31 m寬板帶

以下對圖4懸臂梁底端最大彎矩 M懸與L/H＞2.8時(shí),按板計(jì)算時(shí)的底部外側(cè)彎矩 M定進(jìn)行比較:

圖4 懸臂梁

通過以上對比可知:當(dāng) L/H＞2.8時(shí),在水平荷載作用下按板計(jì)算得出的池壁底部外側(cè)彎矩均小于按簡化懸臂梁的底部最大彎矩,所以實(shí)際工程中可以把滿足L/H＞2.8的開敞式水池池壁簡化為懸臂梁計(jì)算。通常把L/H取整,即L/H=3作為劃分單、雙向板的界限,這樣偏于安全。

4 結(jié) 論

1)當(dāng)L/H＞3時(shí),池壁可為單向板考慮,在水平荷載作用下,荷載幾乎全部沿豎向傳遞。計(jì)算時(shí)沿池壁長度方向L向取1 m寬板帶作為計(jì)算單元,池壁按豎向單向板算,對于開敞式水池池壁即按懸臂板計(jì)算。

2)當(dāng)0.5≤L/H≤3時(shí),池壁為雙向板,在水平荷載沿2個(gè)方向傳遞,且荷載傳遞復(fù)雜,首先按單塊雙向板用查表法進(jìn)行計(jì)算,再考慮相鄰壁板之間的變形連續(xù)性,按相鄰板的線剛度比對板端彎矩進(jìn)行調(diào)整,最終求得板的跨中彎矩。對大型、重要的雙向板池宜用整體分析方法。

3)當(dāng)L/H＜0.5時(shí),在大于池壁高度2L的范圍內(nèi)荷載全部沿水平向傳遞,此范圍內(nèi)的壁板按水平單向板計(jì)算;在池壁高度2L以下荷載沿2個(gè)方向傳遞,此范圍內(nèi)的壁板按雙向板計(jì)算,H=2L處視為雙向板的自由端。

[1]GB50069-2002給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]CESC138-2002給排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[3]建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造資料集編委會.建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造資料集[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

[4]朱彥鵬.特種結(jié)構(gòu)[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2002

[5]宋京衛(wèi).關(guān)于常見鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會[J].華北石油設(shè)計(jì),2002(2):15～17

[6]王兆霞.鋼筋混凝土矩形水池的設(shè)計(jì)[J]國外油田工程,2003(10):41～43

[7]郝素英,鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)計(jì)算手冊[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2006

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:1005-8370(2011)02-25-05

2010-12-15

劉蘭蘭(1982—),2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,工學(xué)碩士。