徐莉平，葛旭峰

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

0 前言

在長(zhǎng)距離供水工程中，水池作為保證工程正常運(yùn)行及調(diào)節(jié)上下游流量的重要建筑物而被廣泛使用[1]。根據(jù)幾何形狀的不同可分為圓形水池和矩形水池，布置方式不同可分為：地下式、半地下式和地上式。因此，在滿(mǎn)足工程需求的同時(shí)，合理的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和布置形式顯得尤為重要，但是，當(dāng)前有些水池的設(shè)計(jì)過(guò)于保守，原因在于憑經(jīng)驗(yàn)選擇池壁厚度后再進(jìn)行校核，未必能做到結(jié)構(gòu)造價(jià)最低[2]。故合理的結(jié)構(gòu)模型不僅能節(jié)省工程量、節(jié)約投資，而且能降低施工難度、加快施工進(jìn)度[3]。鋼筋混凝土水池屬于特種結(jié)構(gòu)，較之于鋼水池、素混凝土水池和砌體水池，具有施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低、成型方便以及具有良好的防滲、防腐和耐久性等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比相同容積的鋼筋混凝土圓形水池與矩形水池，圓形水池因其受力均勻、構(gòu)造簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于水工建筑物中。

本文以榆林市某引水工程中半埋式圓形鋼筋混凝土分水池為研究對(duì)象，在水池已定布置形式、容積的前提下，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及體型擬定，為水池設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

1 圓形水池結(jié)構(gòu)計(jì)算理論分析

1.1 計(jì)算原理

圓形水池結(jié)構(gòu)計(jì)算采用單元構(gòu)件法，將水池的頂板、底板(視地基為彈性地基)簡(jiǎn)化成周邊為彈性固定的圓板，池壁簡(jiǎn)化為兩端彈性固定的圓柱殼進(jìn)行計(jì)算分析。

1.2 內(nèi)力計(jì)算理論分析

1.2.1 荷載組合

圓形水池結(jié)構(gòu)上的荷載包括永久荷載和活荷載。永久荷載含結(jié)構(gòu)自重、土壓力、水壓力等；活荷載主要考慮頂板活荷載。水池荷載組合見(jiàn)表1。

表1 水池荷載計(jì)算

t1為頂板的厚度，mm；t2為底板的厚度，mm；d為側(cè)壁的厚度，mm；R為水池直徑，m；hw為對(duì)水池內(nèi)水深，m；Hb為池外壁覆土深度，m；H為水池深度，m；A1為池底板懸挑部分表面，m2；Ka為土側(cè)壓力系數(shù)。

1.2.2 內(nèi)力計(jì)算理論分析

1)頂板、底板內(nèi)力分析

頂板、底板為多柱支承的圓板，將圓板劃分為板帶?？梢曧敯?或底板)為在均布荷載q作用下的多跨連續(xù)梁，在任何一跨中，其兩邊支座彎矩絕對(duì)值總和的一半加上該跨的跨中彎矩，應(yīng)該等于同跨度同荷載的鉸支梁的彎矩。頂板、底板板帶劃分圖見(jiàn)圖1。因此，圓板中間區(qū)隔一跨中，其跨中板帶及柱上板帶上的跨中支座的總彎矩值為：

圖1 板帶劃分圖

(1)

2)側(cè)壁內(nèi)力分析

水池為側(cè)壁與頂板、底板均為現(xiàn)澆，將池壁頂端底端視為彈性固定約束。計(jì)算池壁的特征系數(shù)S

(2)

式中：R為池壁的計(jì)算半徑(m);h為池壁厚度(m); H為池壁高度(m)。

本次計(jì)算結(jié)果1

Nθ=KNθqR

(3)

QK=KQxqH

(4)

Mb=KmqH2

(5)

(6)

式中：Nθ為池壁環(huán)向力(KN)；KNθ為環(huán)向力系數(shù)；q為池壁所受的三角形荷載(kN/m)；Qk為池壁剪力(KN)；KQx為剪力系數(shù)；Mb為豎向彎矩(KN·m)；Mt為環(huán)向彎矩(KN·m)；Km為豎向內(nèi)力系數(shù)。

2 工程案例分析

2.1 工程概況

某長(zhǎng)距離供水工程末端擬設(shè)分水池，容積3 000 m3，水池直徑10 m，池凈高12 m。結(jié)合實(shí)際地形，該水池設(shè)置為半埋式鋼筋混凝土圓形有蓋水池，高出地面6 m。池內(nèi)設(shè)4根直徑為500 mm的鋼筋混凝土圓柱并設(shè)腋角和擴(kuò)大腳。水池采用現(xiàn)澆混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為C30，防凍等級(jí)為F200，防滲等級(jí)為W4。水池外部擬采用模塑聚苯板材料保溫。水池的平面、剖面圖如圖2所示。

圖2 水池平面、剖面圖

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算工況

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求及后期管理需求，設(shè)定了3種計(jì)算工況。

工況1：池內(nèi)有水，池外有土；

工況2：池內(nèi)滿(mǎn)水，池外無(wú)土；

工況3：池內(nèi)無(wú)水，池外有土。

2.3 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]中規(guī)定，圓形水池底板的厚度不宜小于200 mm，頂板的厚度不宜小于150 mm。由于水池頂板、底板的荷載明確，故池壁是體型選型的關(guān)鍵。一般來(lái)說(shuō)，池壁越厚，則混凝土用量越大，受力所需鋼筋用量越少。但當(dāng)壁厚大到一定程度后，鋼筋用量要由構(gòu)造要求確定，可能不降反增，混凝土及鋼筋抗拉強(qiáng)度未得到充分利用，存在浪費(fèi)。因此，工程選定了3種水池的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)選型見(jiàn)表2。

表2 水池結(jié)構(gòu)尺寸

3 理論計(jì)算成果分析

3.1 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)圓形水池結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，對(duì)圓形水池3種結(jié)構(gòu)尺寸在3種工況下各個(gè)部位的內(nèi)力值進(jìn)行計(jì)算分析，各個(gè)構(gòu)件不利工況的內(nèi)力計(jì)算值見(jiàn)表3。

表3 水池內(nèi)力計(jì)算

3.2 配筋計(jì)算結(jié)果

水池配筋選取三種工況中最不利的工況進(jìn)行配筋。水池頂板及底板按純彎構(gòu)件配筋，水池側(cè)壁環(huán)向內(nèi)力按壓(拉)彎構(gòu)件配筋，豎向內(nèi)力按純彎構(gòu)件配筋。配筋結(jié)果見(jiàn)下表4。

表4 水池配筋計(jì)算

3.3 計(jì)算成果分析

通過(guò)以上3種結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算成果可以看出，頂(底)板越厚，頂(底)板的彎矩值與內(nèi)力值隨之增大；池壁越厚，環(huán)向力越小，豎向彎矩越大。在滿(mǎn)足裂縫的前提下，頂板越厚，同型號(hào)的鋼筋在頂板范圍內(nèi)的配筋間距越大；側(cè)壁越厚，在同型號(hào)、間距的豎向鋼筋配比下，豎向裂縫開(kāi)展寬度越大，在同等裂縫開(kāi)展寬度下，池壁越厚，雖然環(huán)向力在減小，但是所需的環(huán)向鋼筋型號(hào)在增大；底板越厚，在同型號(hào)、間距的鋼筋配比下，底板裂縫越小。因此，設(shè)計(jì)采用體型1的結(jié)構(gòu)尺寸(頂板厚300 mm,池壁厚500 mm，底板厚600 mm)在滿(mǎn)足構(gòu)造安全的前提下，能更好選配鋼筋，控制混凝土裂縫開(kāi)展寬度，同時(shí)節(jié)省了工程量，滿(mǎn)足了工程需要。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以榆林某供水工程圓形水池為研究對(duì)象，通過(guò)理論分析計(jì)算，對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸水池的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析及體型選擇進(jìn)行了總結(jié)。限于篇幅，現(xiàn)有以下方面的問(wèn)題做進(jìn)一步分析。

(1)本次計(jì)算未考慮水池側(cè)壁的溫度影響，側(cè)壁保溫材料的保溫效果還需進(jìn)一步深入了解；本次計(jì)算視池壁為環(huán)向受拉、豎向受彎的圓柱殼，配筋時(shí)均按最大彎矩進(jìn)行配筋，但實(shí)際池壁內(nèi)外側(cè)的受力是不一致的(外側(cè)受溫度影響以及土壓力，內(nèi)側(cè)受水壓力)，還需進(jìn)一步對(duì)池壁內(nèi)外受力進(jìn)行分析計(jì)算及配筋。

(2)本次計(jì)算視地基對(duì)底板無(wú)約束，實(shí)際上水池底板下側(cè)還要考慮地基反力的作用，還需在結(jié)合水池基礎(chǔ)處理前提下，對(duì)底板進(jìn)行進(jìn)一步的內(nèi)力分析。

(3)本次計(jì)算以理論計(jì)算為主，可將本次計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，使水池的體型在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的條件下更加經(jīng)濟(jì)合理。