矩形混凝土水池在结构设计中的优化处理.pdf

没计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1 期 矩形混凝土水池在结构设计 中的优化处理 吉乔伟 金灵志 陈烨 唐颖栋 汪孝力 ( 1 ． 华东勘测设计研究院 浙江杭州 3 1 0 0 1 4 2 ． 杭州市发展规划研究院 浙江杭州 3 1 0 0 1 4 ) 【 摘要】 本文从矩形敞口水池结构设计优化的角度出发，采用有限元软件 s t r a t ，对矩形敞口水池进行了建 模计算，分析了不同高宽比水池角隅区受力分布特点。通过与规范方法对比，提出了优化水池腋角处理形式及优 化水池角隅区配筋量两种结构设计观点，供工程设计参考。 【 关键 词 】 水池有限元角隅区腋角加强 区 【 D 0 I 编 码 】 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i S S D ． 1 6 7 2 — 2 4 6 9 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 2 9 【中图分类 号】T V 3 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 — 2 4 6 9( 2 0 1 4 )0 卜0 0 9 0 — 0 4 引言 水资源是人类社 会发展的重要基础条件 ，水 资源 危机 使 人类 意识 到 急需制 定科 学 的用 水战 略 ，合理分配用 水资源 。为此 ，人们采 取多种措 施 ，来改善我们 的生存 环境 ，污水处理正是其 中 的一种 常用 手段 。水务工程 6 0 ％ 以上 的投资是 由 一 些构筑物 水池 组成 ， 但 目前 由于 国内并没有针 对构筑物 水池的专 门结构计算软件 ，结构设计者 大都 只能依据现有规范 ，取 出简单构件模型通过 手算加 经验进行工程设计 ，结构是否合理 、造价 是否经 济有待深入论证 。 笔者通过华东 院的总承包 水务工程实践 ，去 寻 找出较为合理 的结构模 型，解决主要 问题是矩 形 混凝 土水池角隅加强 区的优 化设计、构筑物腋 角处理形式 。 1 优化方案的提 出 1 ． 1 优化水池腋 角处 理形式 目前矩 形 水池 设计 中关 于腋 角 的处 理一 般 都按 《 给 水排水 工程结构设 计手册 》( 以下 简称 《 设计 手册 》 )中的要求 ，在 池壁拐角及池 壁与 顶 、底板 的交接处设置腋角 ，并配 置构 造钢筋 ， 配筋 量 一般 取墙 或顶 、底 板截 面 内受 力钢筋 的 5 0 ％ 。实 际施工过程 中 ，由于 腋角 的存 在 ，往往 需要将模 板切割成条状 ，造成极大浪 费，增加 了 90’ 投资 。另一方面 ，由于腋角处钢筋密集 、水平 、 竖直 、 横纵 向钢筋及池壁 竖 向筋和腋 角斜筋交插 等原 因，导致腋角处混凝土下料 、振捣 等都 比较 困难 ，如稍有不慎 ，该部位会 出现 露筋 、露石、 蜂窝 、孔洞等缺 陷，详见 图 1 、图 2 。水池转角 加腋仅 为一个建议 构造措施 ，设计过程 中腋角筋 并未按参于 受力分 析来考 虑，且规范 中也并未 明 确一定需要进行加腋 处理，角隅处 的加腋能否取 消 ?针 对这 个 问题 ，总承包 设计 组人 员 召开会 议 ，针对水池转角处加腋存在 的必要性进行 了探 讨 ，根据 小组探 讨结果 ，小组成员认为 ，常规设 计 中水池 转角处的加腋存在优化空 间。 图 1水池腋角处配筋示例 图2腋角处浇筑缺陷示意 1 ． 2 优 化水池 角隅区配筋量 由于 目前针 对水 池结 构设 计缺 乏整 体 建模 的软件 ，结构设计者大都依据现有规 范，取 出简 单构件通过手算加经 验进行工程设计 ， 这将缺 乏 对水池整体 受力分布情 况的深入 了解 ，因此得 出 作者简介：吉乔伟 ( 1 9 8 4 年一 ) ，男，工程师。 没计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1期 的结果并不 是很精确 ，这样对于投 资额较大 的项 目有可 能会造 成浪费或 结构偏不安全 。目前对 水 池结构 角隅处 的弯矩 分布情况 了解较 少 ， 单 向受 力水池 设计时 ，一般在 角隅处按照 《 设计手册 》 进行全高度范围的配筋加密， 池壁竖向配筋部分 在角隅 处也不加 以折减 ，而且 加强筋长度一般取 池 壁高度 的 1 ／ 3 。于是设计小组 召开会议 ，针对 水 池 角 隅处 实 际受 力进 行 了探 讨 ，根据 探 讨 结 果 ，认为水池 根据 《 设计 手册》中角隅加强法并 未反映角 隅处实际 的受 力情 况 ，可能 出现 浪费 。 根 据经验 ，角隅处 的配 筋几乎达 到水 池池壁配筋 总量 的 2 5 ％ ，这个量不 能忽视 ，如果通 过精确 的 受力分析 ，掌握 水池角隅处 内力分布 ，对薄弱 区 域 进行配筋 加强 ，使结构受力更 加合理化 ，能达 到减少投 资的 目的 。 2水池 角隅处受力的优化分析 钢 筋混 凝 土矩 形 水池 大 部分 为平 板 单元 构 件 组成 ，平板分 为薄板和厚板 ，区分 界限为厚度 t与另两个 方 向的最 小尺 寸之 比是否 小于 1 ／ 1 5 ， 小 于 1 ／ 1 5的为薄板 ，大于 1 ／ 1 5的为 中厚板 。按 此 原则划分 ，水务工程 中钢 筋混凝土矩 形水池大 部 分为薄板单 元构件 。 针对 敞 口水池角 隅处 X向及 Y向弯矩 分布 ， 计 算软件采用 s t r a t有 限元 分析软件 以更直 观、 更 具操作性和更 图形化 的方式进 行有 限元分 析 。 S t r a t软件 是 自主开发 的、具有完全 知识产权 的 国产大型通用有 限元软件 ，可 以分析各 种类型 的 结 构 ，其 中平 板 结构 单元 就 很适 合 构筑 物 的分 析 。 2 ． 1 有 限元模 型的建立 假 设 有 如 下 水 池 ， 几 何 尺 寸 为 ： LBH =2 0 m1 0 m X 5 m ，地 上式开 口水池 。 内部满水 。模 型建立完成后 ，进行单元 划分 ，单 元 属性定义 ，材 质属性定义 、壁厚设置 、约束条 件 设置 。 模 拟地基 ：模拟土 体单 向拉压 弹簧功能 ，准 确模拟地基土对 内水压、水浮力作用的差异，内 水压 作用下 ，地基土对 底板弹性支撑 ，水 浮力作 用 下地基土退 出工作 。 模拟加载 ：模 拟 内部水压 力、外部水压 力、 外 部土压力 ，导算水荷载沿 高度指数变化 的垂直 表面 压 力。 模拟 内外温 差：通过定义一种荷载 ，即可完 成复杂 的内外温 差的荷载加载 。采 用整体模型 ， 精确计算 复杂池 、仓 的温度 形 内力 。 模拟季节温差：定义温度场，计算季节性整 体温度变化 ，通过地弹簧模拟 地基土对结构整 体 伸缩 的约束 作用 。 结果输 出： 通过有 限元模 型计算结果得 出，水池最大变 形为水池上部 的四个 角部 的水平变 形，以及池壁 中间部位 与底板 交接处 的竖 向变形 。通过计算 可 得 ，矩 形水池设计 的薄弱环节为 四个角 隅处，以 及池 壁 中间部分 与底 板交接处 。这也正是水池设 计 的关键 点。 2 ． 2 单块 池壁水平 向及竖 向弯矩分布 以长方 向池池 壁 ( 2 0 m x 5 m )为例 进行分析 ， 图 3为长方 向池壁 水平弯矩 ( X向弯矩 )分布 图 ， 图 4为长方 向池壁 竖 向弯矩 ( Y向弯矩 )分布 图。 图 3 池壁水平向弯矩分布 00 #O S t 0 t ， 1 1 孙 图 4池壁竖向弯矩分布 从 图 3和 图 4中可 以看 出，水平弯矩在角 隅 区最 大 ，竖 向弯矩在池 中间部分最大 。角隅区水 平弯 矩上大下 小；竖 向弯矩 上小下大 。角隅 区最 大 水平弯 矩为 ：1 2 6 K N ． m ；池 中间部分最 大竖 向 弯矩 为 ：1 9 0 K N ． m ；根据弯矩 分布 图可分析得 出 ， 水 池在 使 用状 态下 的结构 薄弱 环节 是在 角 隅处 和 中间部分 的池壁根 部 。此 部分结论与 《 设计手 册 》中关于池壁受力 的定性描述相吻合 。在 图 3 91 钟 帅 ” 蚺 持 0 口 ， 蚶 l 薹 - 喜 熙 l 薹 蛐 貅 " 拂 ” 0 ， # l 萋 I 詈 I I耋 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4 年第 1期 和 图 4基础 上 ， 判 断出， 水平弯矩 在离角隅处 H ／ 5 处 已经减 少 了 5 0 ％ 以上，竖 向弯矩 同样在离池壁 根部 H ／ 5位 置处也减少 了 5 0 ％ 以上 ，结合 《 设计 手册 》 ， 可 以在 布置加强筋长度 时考虑 ：水平 ( 竖 向)加强筋长度为 H ／ 5 。 2 ． 3不 同高 宽 比时水池 角隅处的受 力分布 现假 定敞 口矩形水池 的高度 H和宽度 B不 变 ，通过改变水池长度 L ，在高宽 比为 2 ，2 ． 5 ， 3 ，3 ． 5 ，4 ，4 ． 5 ，5 ，5 ． 5 ，6时 ，水池满水工况 下 板 中各点弯矩变化情 况，现 按规范常规设计 ， 将 敞 口矩形水池 的池壁 简化 为三 边 固定 ，一边 自 由的板 ， 如 图 5 ，采用有 限元算法计算 分析 A 、 B 、 C 、O四点的弯矩变化 ，如 图 6 。 阿 』 L ． ． ． ． 一 图 5敞口水池计算模型 常 规 设计 时 ，水平 角 隅区弯 矩 以及 池壁 根 部 角隅 区弯 矩根 据规 范进 行计 算 ，所 采用 规范 为 《 给 水排 水 工程钢 筋 混凝 土水池 结 构设 计规 程》 ( C E C S l 3 8 ：2 0 0 2 ) ( 以下简称 《 规程 》 ) 及《给 水 排 水 工 程 构 筑 物 结 构 设 计 规 范 》 ( G B 5 0 0 6 9 — 2 0 0 2) 。 1 2 3 4 池壁高宽比 一A 点水平弯矩 — 一B 点水平弯矩 一c 点竖 向弯矩 D 点坚向弯矩 图 6板 中四点弯矩随高宽 比改变的变化 角隅处水平弯矩 ： M = 7， z 。 g 日 ； ( 1 ) 9 2 根据 《 规程 》6 ． 1 ． 3 ，当壁 板厚度上 下不变 截 面 时 ， 取 一 0 ． 1 0 4， 代 入 式(1) ， M = m g 一 1 3 0 K N ． m 池壁根部弯矩 ： M = ： ／ 6 ( 2 ) 将 数值代 入式( 2 ) ， y q H2／ 6 ： 20 8 KN． m， 对 比有 限元计 算结果，规范水平角隅弯矩取值及 池 壁竖 向弯 矩取值 与有 限元计算 最大 弯矩 位置 相 吻 合 。 有限元法计算时 ，A 、B 、C 、D四点弯矩值 与 规 范法弯矩值 比值变化如图 7 。由图 7中可 以看 出，对敞 口水池 ，按规范进行计算 ，是安全可靠 的 ，但水池角隅处 ，O ~H ／ 2高度范 围和 0 ~H ／ 2 宽度范 围的弯矩均小于一半 的规范设计值 ，从而 可认为 ： 水池角隅处 的水平弯矩抵抗加 强区域 为 从上 口至 H ／ 2位置 ，配筋加密一倍；而在 角隅处 O ~H ／ 2宽度范 围内，竖 向配筋可 以减半 。 2 4 6 池 壁 高宽 比 图 7板 中四点 的弯矩 比值随高宽 比的变化 3 水 池 加腋 工程 调研 论证 设计组成 员对杭 州市祥符 水厂、南星水厂进 行 了调研 ，详细观察 了水池角隅区微小裂缝 的分 布 、以及各构筑物角隅 的处理形式 。通过观察水 池 细微 裂缝 的分布 来判 断构 筑物 的 实际受 力情 况 与常规 设计 的一致性。 通 过调研 发现 ，局部池 体产 生微 小裂 缝 ，池 体 竖 向裂缝一般 分布在角 隅区至距角隅 H ／ 5之 间，池体水平裂缝一般分布在距池壁根部 H ／ 5至 池壁根 部之 间。调研成果与有 限元模拟成果相 吻 合 。另外 ，调研 发现 ，受力筋足够的情况下 ，水 池 角隅区不加 设腋角并不会 导致裂缝产生 。图 8 为杭 州市各水厂构筑物角隅区的调研照片 ，从照 片中看 出，各 敞 口水池均未 设置腋 角，但 从使 用 多年情况下来看，水池角隅 区并没有 因未 设置腋 2 1 8 6 4 2 0 1 0 0 0 0 丑 ●●● r● ●● r ● r ● ● L 0 O 0 0 0 0 O O 0 孔协坫 9 6 3 墩