矩形混凝土水池在结构设计中的优化处理

2014-02-21吉乔伟金灵志陈烨唐颖栋汪孝力

水利规划与设计 2014年1期

吉乔伟金灵志陈烨唐颖栋汪孝力

矩形混凝土水池在结构设计中的优化处理

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（1.华东勘测设计研究院浙江杭州 310014 2.杭州市发展规划研究院浙江杭州 310014）

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strat，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。

水池有限元角隅区腋角加强区

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60%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50%。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29

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25%，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1/15，小于1/15的为薄板，大于1/15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strat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。Strat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

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（20mx5m）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

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：126KN.m；池中间部分最大竖向弯矩为：190KN.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50%以上，竖向弯矩同样在离池壁根部H/5位置处也减少了50%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。

图4 池壁竖向弯矩分布

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、D四点的弯矩变化，如图6。

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》（CECS 138：2002）（以下简称《规程》）及《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）。

图6 板中四点弯矩随高宽比改变的变化

角隅处水平弯矩：

根据《规程》6.1.3，当壁板厚度上下不变截面时，mc取-0.104，代入式（1），池壁根部弯矩：

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，0～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0～H/2宽度范围内，竖向配筋可以减半。

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角而出现微小裂缝。