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)

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(duì)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(wèn)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(jiǎn)化計(jì)算。在滿足工藝條件和保證安全使用的前提下,通過(guò)對(duì)比分析,總結(jié)了開(kāi)敞式鋼筋混凝水池計(jì)算的簡(jiǎn)化方法,供同行參考。

矩形水池;荷載組合;簡(jiǎn)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(lèi)廠房建筑中,由于工藝要求,一般都會(huì)包含對(duì)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(lèi)型來(lái)看,水池可分為無(wú)頂蓋的開(kāi)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(duì)場(chǎng)地適應(yīng)性較強(qiáng),特別是在狹長(zhǎng)地帶,矩形水池有利于節(jié)約用地、減少開(kāi)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(jiǎn)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(duì)于土建人員來(lái)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(jiǎn)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(guò)程對(duì)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(jiǎn)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。現(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(wú)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(guò)大對(duì)溫度應(yīng)力不利,太薄會(huì)使混凝土受壓區(qū)變小對(duì)設(shè)計(jì)不利,同時(shí)也會(huì)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(kāi)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(wú)梁底板時(shí)不宜小于150 mm。水池底板一般應(yīng)挑出,挑出長(zhǎng)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(lèi)

2.1.1 頂板荷載

對(duì)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(lái)計(jì)算水壓。

2)對(duì)地下或半地下式水池,土對(duì)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(duì)土壓力的影響。同時(shí),地下水對(duì)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(guò)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(duì)于底板而言為有利條件,它的存在可以削弱地基反力對(duì)底板的影響。地下水壓力對(duì)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(guò)程中應(yīng)予以重視。為了抵消地下水對(duì)底板的影響,在無(wú)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(lái)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(guò)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(duì)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?？紤]以下三種工況:

①池內(nèi)水壓+自重(對(duì)應(yīng)工況為:池內(nèi)有水,池外無(wú)土)。

②池外土壓+自重(對(duì)應(yīng)工況為:池內(nèi)無(wú)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(wú)水(如建成運(yùn)營(yíng)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(méi)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(duì)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(duì)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(wèn)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(kāi)敞式全地下矩形水池計(jì)算簡(jiǎn)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(zhǎng)度,m;

Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù);

φ——土的內(nèi)摩擦角C0。

為了便于對(duì)比分析,本文針對(duì)開(kāi)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(zhǎng)度,H為池壁高度)的值對(duì)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(wú)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(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)幾乎為同一點(diǎn),為L(zhǎng)/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(jiǎn)化計(jì)算:取1 m寬的豎向板帶,如圖3所示,簡(jiǎn)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(duì)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(guò)以上對(duì)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(jiǎn)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(kāi)敞式水池池壁簡(jiǎn)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(zhǎng)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(duì)于開(kāi)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(duì)板端彎矩進(jìn)行調(diào)整,最終求得板的跨中彎矩。對(duì)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(huì).建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造資料集[S].北京:中國(guó)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(jiàn)鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會(huì)[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(guó)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(cè)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2006

TU 279.7

:B

: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。