天然地基下底板外挑對矩形有蓋水池內(nèi)力影響的研究

劉 貴 郭 政 左其剛 楊 路

（1、中國市政工程西南設(shè)計研究總院有限公司，四川 成都 610081 2、瀘州市興瀘污水處理有限公司，四川 瀘州 646099）

在市政工程中，矩形水池作為常見的構(gòu)筑物廣泛應(yīng)用于給排水和水處理中，因此人們對鋼筋混凝土水池的理論研究和施工技術(shù)研究從未停止過。在以往關(guān)于矩形有蓋水池的內(nèi)力影響因素的研究中，除了必要的荷載條件，更多的是水池的基礎(chǔ)類型、地基土的剛度、水池的結(jié)構(gòu)布置形式等等。而水池底板外挑對水池內(nèi)力的影響，在以往的研究很少涉及，人們往往忽略了底板外挑對水池池體內(nèi)力的影響。本文通過有限元軟件Midas-gen，分析研究在天然地基下，底板外挑長度對矩形有蓋水池池壁、底板內(nèi)力的影響，為后續(xù)的相關(guān)研究和工程項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

本文采用常用有限元計算軟件Midas-gen，選取某污水處理廠調(diào)節(jié)池作為研究對象，該調(diào)節(jié)池為矩形有蓋水池，長25m，寬25m，高7.3m，覆土深度6.3m，為地下結(jié)構(gòu)，不考慮溫度應(yīng)力，其中池壁厚度h1=0.5m，底板厚度h2=0.6m，頂板厚度h3=0.25m；地基基床反力系數(shù)為30000kN/m3。池內(nèi)最大水壓力值為q=67.2kPa，場地抗浮設(shè)水位位于底板以下，不考慮池體抗浮。本文分析了兩種常見的工況作用下，底板外挑長度對水池池壁和水池底板內(nèi)力的影響，工況一為“內(nèi)水+自重”，工況二為“外水土+自重”；選取底板外挑長度分別為0 倍、1 倍、2 倍、3 倍壁厚，即底板外挑長度L=0.0m、0.5m、1.0m、1.5m（圖1）。

圖1 調(diào)節(jié)池示意圖

2 底板外挑對池壁內(nèi)力的影響

該調(diào)節(jié)池為一個正方形水池結(jié)構(gòu)，各外池壁受力規(guī)律一致，本文選取池壁A 作為研究。根據(jù)有限元軟件Midas-gen 的特點(diǎn)，本文符號規(guī)定：池壁A 內(nèi)力等值線圖中，池壁外側(cè)受拉為正。

表1“內(nèi)水+自重”作用下池壁A 彎矩統(tǒng)計表（單位：kN·m/m）

表2“外水土+自重”作用下池壁A 彎矩統(tǒng)計表（單位：kN·m/m）

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在“內(nèi)水+自重”、“外水土+自重”作用下，隨著底板外挑長度增加，池壁的內(nèi)力具有較強(qiáng)的規(guī)律性，具體如下：

a.底板外挑長度從0m 增加到1.5m，隨著底板外挑長度增加，豎向底部支座彎矩絕對值增大，豎向跨中彎矩、水平支座彎矩、水平跨中彎矩等絕對值減小，可以看出，底板外挑長度越長，底板對池壁的約束越強(qiáng)，底板和池壁相互錨固效益越明顯。底板外挑長度為0.0m 時，底板對池壁的錨固效應(yīng)相對較弱，導(dǎo)致池壁底部豎向彎矩小于池壁豎向跨中彎矩。在以往的設(shè)計中，一般認(rèn)為，當(dāng)?shù)装搴穸却笥诔乇诤穸鹊?.2 倍時，池壁底部可以看成固端，在實(shí)際有限元分析中，當(dāng)?shù)装逄裟_較小時，錨固效應(yīng)達(dá)不到計算手冊假定的固端效果，因此在設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)注意池壁的豎向跨中彎矩是否配筋偏小。

b.在“內(nèi)水+自重”作用下，池壁支座處內(nèi)側(cè)受拉，跨中外側(cè)受拉，有限元分析結(jié)果的規(guī)律和《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(第二版)》、結(jié)構(gòu)靜力計算手冊一致。

c.在“外水土水+自重”作用下，池壁支座處外側(cè)受拉，跨中內(nèi)側(cè)受拉，有限元分析結(jié)果的規(guī)律和《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊(第二版)》、結(jié)構(gòu)靜力計算手冊一致。

3 底板外挑長度對底板內(nèi)力的影響（圖2）

圖2“內(nèi)水+自重”作用下底板Ⅰ-Ⅰ剖面彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖3“外水土+自重”作用下底板Ⅰ-Ⅰ剖面彎矩圖（單位：kN·m/m）

根據(jù)有限元軟件Midas-gen 的特點(diǎn)，本文符號規(guī)定：底板內(nèi)力等值線圖中，底板下側(cè)受拉為正，因?yàn)檠芯繉ο鬄橐粋€矩形水池，故底板彎矩選擇Myy 即可。

3.1“內(nèi)水+自重”作用下底板外挑對底板內(nèi)力的影響

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在“內(nèi)水+自重”作用下，隨著底板外挑長度增加，底板的內(nèi)力呈現(xiàn)出普遍性規(guī)律，具體如下：

3.1.1 底板外挑對底板邊跨范圍內(nèi)力影響顯著。

3.1.2 底板外挑長度為0.0m 時，外池壁支座處底板彎矩絕對值最小，為70.93 kN·/m，底板邊跨跨中彎矩絕對值最大，為113.5 kN·/m。

3.1.3 底板外挑長度不為0 時，底板彎矩在外池壁支座處發(fā)生突變，底板外挑長度從0.5m 增加到1.5m，隨著底板外挑長度增加，外池壁支座外側(cè)底板彎矩絕對值增大，從37.5 kN·/m 增加到102.1 kN·/m，符號不變；外池壁支座內(nèi)側(cè)底板彎矩絕對值減小，從89.06 kN·/m 減小到73.3 kN·/m，符號不變；隨著底板外挑長度增加，底板邊跨跨中彎矩絕對值減小，但符號不變。

3.1.4 底板外挑時，外挑部位底板下側(cè)受拉，且隨著外挑長度增加，彎矩絕對值越大，在以前的研究和設(shè)計中，往往忽略這一點(diǎn)，可能導(dǎo)致底板外挑處下側(cè)配筋不夠。

3.2“外水土+自重”工況下底板外挑長度對底板內(nèi)力的影響（圖3）

根據(jù)有限元分析結(jié)果，在“外水土+自重”作用下，隨著底板外挑長度增加，底板的內(nèi)力呈現(xiàn)出普遍性規(guī)律，具體如下：

3.2.1 底板外挑對底板邊跨范圍內(nèi)力影響顯著。

3.2.2 底板外挑長度為0.0m 時，外池壁支座處底板彎 矩絕對值最小，為91.2 kN·/m，底板邊跨跨中彎矩絕對值最小，為37.04 kN·/m。

3.2.3 底板外挑長度不為0 時，底板彎矩在外池壁支座處發(fā)生突變，底板外挑長度從0.5m 增加到1.5m，隨著底板外挑長度增加，外池壁支座外側(cè)底板彎矩絕對值增大，從3.8kN·/m 增加到23.5 kN·/m，符號不變；外池壁支座內(nèi)側(cè)底板彎矩絕對值增大，從131.8 kN·/m 增加到137.3 kN·/m，符號不變；底板邊跨跨中彎矩絕對值增大，從55.9 kN·/m 增加到62.7 kN·/m，符號不變。

4 結(jié)論和建議

本文采用有限元軟件Midas-gen，分析總結(jié)了不同工況下，天然地基下，底板外挑對矩形有蓋水池內(nèi)力的影響。本文主要研究結(jié)論和建議如下：

4.1 底板外挑對矩形有蓋水池的內(nèi)力影響顯著，隨著底板外挑長度增加，底板和外池壁相互錨固效應(yīng)增強(qiáng)。

4.2 在不同工況下，底板外挑對矩形有蓋水池池壁內(nèi)力影響顯著。隨著底板外挑長度增加，外池壁底部支座豎向彎矩絕對值增大，符號不變，豎向跨中彎矩、外池壁水平支座彎矩、水平跨中彎矩絕對值減小，符號不變。

4.3 底板外挑對矩形有蓋水池底板的內(nèi)力影響顯著，主要影響底板邊跨，且在不同工況下呈現(xiàn)不同的規(guī)律。

4.4 以往的研究和設(shè)計中，往往忽略底板外挑對水池結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。在大型、特大型水池結(jié)構(gòu)中，水池體積大、埋深深，忽略底板挑腳對內(nèi)力的影響，可能會導(dǎo)致水池局部配筋不足，從而導(dǎo)致安全事故發(fā)生。通過本文的研究結(jié)果，建議各位工程師在研究和設(shè)計中，要重視底板外挑對水池結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，特別是體積大、埋深深的水池結(jié)構(gòu)。

4.5 本文的研究也可以為類似的工程項(xiàng)目設(shè)計、優(yōu)化提供參考。