矩形混凝土水池在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化處理

吉喬偉 金靈志 陳燁 唐穎棟 汪孝力

矩形混凝土水池在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化處理

吉喬偉1金靈志2陳燁1唐穎棟1汪孝力1

（1.華東勘測設(shè)計(jì)研究院 浙江杭州 310014 2.杭州市發(fā)展規(guī)劃研究院 浙江杭州 310014）

本文從矩形敞口水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的角度出發(fā)，采用有限元軟件strat，對(duì)矩形敞口水池進(jìn)行了建模計(jì)算，分析了不同高寬比水池角隅區(qū)受力分布特點(diǎn)。通過與規(guī)范方法對(duì)比，提出了優(yōu)化水池腋角處理形式及優(yōu)化水池角隅區(qū)配筋量兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)觀點(diǎn)，供工程設(shè)計(jì)參考。

水池 有限元 角隅區(qū) 腋角 加強(qiáng)區(qū)

引言

水資源是人類社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)條件，水資源危機(jī)使人類意識(shí)到急需制定科學(xué)的用水戰(zhàn)略，合理分配用水資源。為此，人們采取多種措施，來改善我們的生存環(huán)境，污水處理正是其中的一種常用手段。水務(wù)工程60%以上的投資是由一些構(gòu)筑物水池組成，但目前由于國內(nèi)并沒有針對(duì)構(gòu)筑物水池的專門結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者大都只能依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，取出簡單構(gòu)件模型通過手算加經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)是否合理、造價(jià)是否經(jīng)濟(jì)有待深入論證。

筆者通過華東院的總承包水務(wù)工程實(shí)踐，去尋找出較為合理的結(jié)構(gòu)模型，解決主要問題是矩形混凝土水池角隅加強(qiáng)區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、構(gòu)筑物腋角處理形式。

1 優(yōu)化方案的提出

1.1 優(yōu)化水池腋角處理形式

目前矩形水池設(shè)計(jì)中關(guān)于腋角的處理一般都按《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》（以下簡稱《設(shè)計(jì)手冊》）中的要求，在池壁拐角及池壁與頂、底板的交接處設(shè)置腋角，并配置構(gòu)造鋼筋，配筋量一般取墻或頂、底板截面內(nèi)受力鋼筋的50%。實(shí)際施工過程中，由于腋角的存在，往往需要將模板切割成條狀，造成極大浪費(fèi)，增加了投資。另一方面，由于腋角處鋼筋密集、水平、豎直、橫縱向鋼筋及池壁豎向筋和腋角斜筋交插等原因，導(dǎo)致腋角處混凝土下料、振搗等都比較困難，如稍有不慎，該部位會(huì)出現(xiàn)露筋、露石、蜂窩、孔洞等缺陷，詳見圖1、圖2。水池轉(zhuǎn)角加腋僅為一個(gè)建議構(gòu)造措施，設(shè)計(jì)過程中腋角筋并未按參于受力分析來考慮，且規(guī)范中也并未明確一定需要進(jìn)行加腋處理，角隅處的加腋能否取消？針對(duì)這個(gè)問題，總承包設(shè)計(jì)組人員召開會(huì)議，針對(duì)水池轉(zhuǎn)角處加腋存在的必要性進(jìn)行了探討，根據(jù)小組探討結(jié)果，小組成員認(rèn)為，常規(guī)設(shè)計(jì)中水池轉(zhuǎn)角處的加腋存在優(yōu)化空間。

圖1 水池腋角處配筋示例

圖2 腋角處澆筑缺陷示意

1.2 優(yōu)化水池角隅區(qū)配筋量29

由于目前針對(duì)水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏整體建模的軟件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者大都依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，取出簡單構(gòu)件通過手算加經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，這將缺乏對(duì)水池整體受力分布情況的深入了解，因此得出的結(jié)果并不是很精確，這樣對(duì)于投資額較大的項(xiàng)目有可能會(huì)造成浪費(fèi)或結(jié)構(gòu)偏不安全。目前對(duì)水池結(jié)構(gòu)角隅處的彎矩分布情況了解較少，單向受力水池設(shè)計(jì)時(shí)，一般在角隅處按照《設(shè)計(jì)手冊》進(jìn)行全高度范圍的配筋加密，池壁豎向配筋部分在角隅處也不加以折減，而且加強(qiáng)筋長度一般取池壁高度的1/3。于是設(shè)計(jì)小組召開會(huì)議，針對(duì)水池角隅處實(shí)際受力進(jìn)行了探討，根據(jù)探討結(jié)果，認(rèn)為水池根據(jù)《設(shè)計(jì)手冊》中角隅加強(qiáng)法并未反映角隅處實(shí)際的受力情況，可能出現(xiàn)浪費(fèi)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，角隅處的配筋幾乎達(dá)到水池池壁配筋總量的25%，這個(gè)量不能忽視，如果通過精確的受力分析，掌握水池角隅處內(nèi)力分布，對(duì)薄弱區(qū)域進(jìn)行配筋加強(qiáng)，使結(jié)構(gòu)受力更加合理化，能達(dá)到減少投資的目的。

2 水池角隅處受力的優(yōu)化分析

鋼筋混凝土矩形水池大部分為平板單元構(gòu)件組成，平板分為薄板和厚板，區(qū)分界限為厚度t與另兩個(gè)方向的最小尺寸之比是否小于1/15，小于1/15的為薄板，大于1/15的為中厚板。按此原則劃分，水務(wù)工程中鋼筋混凝土矩形水池大部分為薄板單元構(gòu)件。

針對(duì)敞口水池角隅處X向及Y向彎矩分布，計(jì)算軟件采用strat有限元分析軟件以更直觀、更具操作性和更圖形化的方式進(jìn)行有限元分析。Strat軟件是自主開發(fā)的、具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)大型通用有限元軟件，可以分析各種類型的結(jié)構(gòu)，其中平板結(jié)構(gòu)單元就很適合構(gòu)筑物的分析。

2.1 有限元模型的建立

模擬地基：模擬土體單向拉壓彈簧功能，準(zhǔn)確模擬地基土對(duì)內(nèi)水壓、水浮力作用的差異，內(nèi)水壓作用下，地基土對(duì)底板彈性支撐，水浮力作用下地基土退出工作。

模擬加載：模擬內(nèi)部水壓力、外部水壓力、外部土壓力，導(dǎo)算水荷載沿高度指數(shù)變化的垂直表面壓力。

模擬內(nèi)外溫差：通過定義一種荷載，即可完成復(fù)雜的內(nèi)外溫差的荷載加載。采用整體模型，精確計(jì)算復(fù)雜池、倉的溫度形內(nèi)力。

模擬季節(jié)溫差：定義溫度場，計(jì)算季節(jié)性整體溫度變化，通過地彈簧模擬地基土對(duì)結(jié)構(gòu)整體伸縮的約束作用。

結(jié)果輸出：

通過有限元模型計(jì)算結(jié)果得出，水池最大變形為水池上部的四個(gè)角部的水平變形，以及池壁中間部位與底板交接處的豎向變形。通過計(jì)算可得，矩形水池設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)為四個(gè)角隅處，以及池壁中間部分與底板交接處。這也正是水池設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 單塊池壁水平向及豎向彎矩分布

以長方向池池壁（20mx5m）為例進(jìn)行分析，圖3為長方向池壁水平彎矩（X向彎矩）分布圖，圖4為長方向池壁豎向彎矩（Y向彎矩）分布圖。

圖3 池壁水平向彎矩分布

從圖3和圖4中可以看出，水平彎矩在角隅區(qū)最大，豎向彎矩在池中間部分最大。角隅區(qū)水平彎矩上大下??；豎向彎矩上小下大。角隅區(qū)最大水平彎矩為：126KN.m；池中間部分最大豎向彎矩為：190KN.m；根據(jù)彎矩分布圖可分析得出，水池在使用狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)是在角隅處和中間部分的池壁根部。此部分結(jié)論與《設(shè)計(jì)手冊》中關(guān)于池壁受力的定性描述相吻合。在圖3和圖4基礎(chǔ)上，判斷出，水平彎矩在離角隅處H/5處已經(jīng)減少了50%以上，豎向彎矩同樣在離池壁根部H/5位置處也減少了50%以上，結(jié)合《設(shè)計(jì)手冊》，可以在布置加強(qiáng)筋長度時(shí)考慮：水平（豎向）加強(qiáng)筋長度為H/5。

圖4 池壁豎向彎矩分布

2.3不同高寬比時(shí)水池角隅處的受力分布

現(xiàn)假定敞口矩形水池的高度H和寬度B不變，通過改變水池長度L，在高寬比為2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6時(shí)，水池滿水工況下板中各點(diǎn)彎矩變化情況，現(xiàn)按規(guī)范常規(guī)設(shè)計(jì)，將敞口矩形水池的池壁簡化為三邊固定，一邊自由的板，如圖5，采用有限元算法計(jì)算分析A、B、C、D四點(diǎn)的彎矩變化，如圖6。

圖5 敞口水池計(jì)算模型

常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，水平角隅區(qū)彎矩以及池壁根部角隅區(qū)彎矩根據(jù)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，所采用規(guī)范為《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 138：2002）（以下簡稱《規(guī)程》）及《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50069-2002）。

圖6 板中四點(diǎn)彎矩隨高寬比改變的變化

角隅處水平彎矩：

根據(jù)《規(guī)程》6.1.3，當(dāng)壁板厚度上下不變截面時(shí)，mc取-0.104，代入式（1），池壁根部彎矩：

有限元法計(jì)算時(shí)，A、B、C、D四點(diǎn)彎矩值與規(guī)范法彎矩值比值變化如圖7。由圖7中可以看出，對(duì)敞口水池，按規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，是安全可靠的，但水池角隅處，0～H/2高度范圍和0～H/2寬度范圍的彎矩均小于一半的規(guī)范設(shè)計(jì)值，從而可認(rèn)為：水池角隅處的水平彎矩抵抗加強(qiáng)區(qū)域?yàn)閺纳峡谥罤/2位置，配筋加密一倍；而在角隅處0～H/2寬度范圍內(nèi)，豎向配筋可以減半。

圖7 板中四點(diǎn)的彎矩比值隨高寬比的變化

3 水池加腋工程調(diào)研論證

設(shè)計(jì)組成員對(duì)杭州市祥符水廠、南星水廠進(jìn)行了調(diào)研，詳細(xì)觀察了水池角隅區(qū)微小裂縫的分布、以及各構(gòu)筑物角隅的處理形式。通過觀察水池細(xì)微裂縫的分布來判斷構(gòu)筑物的實(shí)際受力情況與常規(guī)設(shè)計(jì)的一致性。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，局部池體產(chǎn)生微小裂縫，池體豎向裂縫一般分布在角隅區(qū)至距角隅H/5之間，池體水平裂縫一般分布在距池壁根部H/5至池壁根部之間。調(diào)研成果與有限元模擬成果相吻合。另外，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，受力筋足夠的情況下，水池角隅區(qū)不加設(shè)腋角并不會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。圖8為杭州市各水廠構(gòu)筑物角隅區(qū)的調(diào)研照片，從照片中看出，各敞口水池均未設(shè)置腋角，但從使用多年情況下來看，水池角隅區(qū)并沒有因未設(shè)置腋角而出現(xiàn)微小裂縫。

圖8 杭州市各水廠構(gòu)筑物角隅區(qū)調(diào)研照片

4 結(jié)論

本文通過對(duì)鋼筋混凝土水池進(jìn)行有限元模擬，并進(jìn)行受力分析，計(jì)算出水池角隅區(qū)薄弱部分的范圍及分布情況。為達(dá)到節(jié)約投資的目的，對(duì)矩形敞口混凝土水池在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化處理，提出了角隅處加強(qiáng)區(qū)域的范圍，這是一種安全合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新觀點(diǎn)。從上面的分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）水池角隅區(qū)加腋處理增加成本，且費(fèi)工時(shí)。角隅區(qū)配筋量足夠的情況下，加腋處理存在意義不大，可以取消。根據(jù)實(shí)際工程對(duì)比，水池角隅區(qū)加腋取消利大于弊。

（2） 在矩形敞口水池中，角隅處水平配筋加強(qiáng)區(qū)域?yàn)槌乇谏喜康囊话敫叨确秶?，而在離角隅一半池高范圍內(nèi)，豎向配筋可以減半。

（3） 在敞口水池中，水平及豎向加強(qiáng)筋長度均為H/5。

（4） 常規(guī)設(shè)計(jì)，也就是按規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，是安全可靠的；本文通過對(duì)矩形敞口水池角隅區(qū)有限元建模進(jìn)行受力分布，使設(shè)計(jì)人員更加深入地了解角隅處的受力情況，準(zhǔn)確的布置加強(qiáng)筋范圍，從而達(dá)到節(jié)約成本的目的。

1. 《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》編委會(huì).給水排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊（第二版）[M]

2. 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(上、下)[M].中國建筑工業(yè)出版社，1998

3. 唐穎棟、孫海翔、唐諍皓、鄭建平.矩形混凝土水池角上受力的有限元分析[J].特種結(jié)構(gòu)，2008

4. 薛守義.有限單元法[M].中國建材工業(yè)出版社，2005

5. 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S](GB50010-2010).2010

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.01.029

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1672-2469（2014）01-0090-04

吉喬偉（1984年—），男，工程師。