天然地基下底板外挑对矩形有盖水池内力影响的研究

刘 贵 郭 政 左其刚 杨 路

（1、中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都 610081 2、泸州市兴泸污水处理有限公司，四川 泸州 646099）

在市政工程中，矩形水池作为常见的构筑物广泛应用于给排水和水处理中，因此人们对钢筋混凝土水池的理论研究和施工技术研究从未停止过。在以往关于矩形有盖水池的内力影响因素的研究中，除了必要的荷载条件，更多的是水池的基础类型、地基土的刚度、水池的结构布置形式等等。而水池底板外挑对水池内力的影响，在以往的研究很少涉及，人们往往忽略了底板外挑对水池池体内力的影响。本文通过有限元软件Midas-gen，分析研究在天然地基下，底板外挑长度对矩形有盖水池池壁、底板内力的影响，为后续的相关研究和工程项目提供参考。

1 工程概况

本文采用常用有限元计算软件Midas-gen，选取某污水处理厂调节池作为研究对象，该调节池为矩形有盖水池，长25m，宽25m，高7.3m，覆土深度6.3m，为地下结构，不考虑温度应力，其中池壁厚度h1=0.5m，底板厚度h2=0.6m，顶板厚度h3=0.25m；地基基床反力系数为30000kN/m3。池内最大水压力值为q=67.2kPa，场地抗浮设水位位于底板以下，不考虑池体抗浮。本文分析了两种常见的工况作用下，底板外挑长度对水池池壁和水池底板内力的影响，工况一为“内水+自重”，工况二为“外水土+自重”；选取底板外挑长度分别为0 倍、1 倍、2 倍、3 倍壁厚，即底板外挑长度L=0.0m、0.5m、1.0m、1.5m（图1）。

图1 调节池示意图

2 底板外挑对池壁内力的影响

该调节池为一个正方形水池结构，各外池壁受力规律一致，本文选取池壁A 作为研究。根据有限元软件Midas-gen 的特点，本文符号规定：池壁A 内力等值线图中，池壁外侧受拉为正。

表1“内水+自重”作用下池壁A 弯矩统计表（单位：kN·m/m）

表2“外水土+自重”作用下池壁A 弯矩统计表（单位：kN·m/m）

根据有限元分析结果，在“内水+自重”、“外水土+自重”作用下，随着底板外挑长度增加，池壁的内力具有较强的规律性，具体如下：

a.底板外挑长度从0m 增加到1.5m，随着底板外挑长度增加，竖向底部支座弯矩绝对值增大，竖向跨中弯矩、水平支座弯矩、水平跨中弯矩等绝对值减小，可以看出，底板外挑长度越长，底板对池壁的约束越强，底板和池壁相互锚固效益越明显。底板外挑长度为0.0m 时，底板对池壁的锚固效应相对较弱，导致池壁底部竖向弯矩小于池壁竖向跨中弯矩。在以往的设计中，一般认为，当底板厚度大于池壁厚度的1.2 倍时，池壁底部可以看成固端，在实际有限元分析中，当底板挑脚较小时，锚固效应达不到计算手册假定的固端效果，因此在设计中，应当注意池壁的竖向跨中弯矩是否配筋偏小。

b.在“内水+自重”作用下，池壁支座处内侧受拉，跨中外侧受拉，有限元分析结果的规律和《给水排水工程结构设计手册(第二版)》、结构静力计算手册一致。

c.在“外水土水+自重”作用下，池壁支座处外侧受拉，跨中内侧受拉，有限元分析结果的规律和《给水排水工程结构设计手册(第二版)》、结构静力计算手册一致。

3 底板外挑长度对底板内力的影响（图2）

图2“内水+自重”作用下底板Ⅰ-Ⅰ剖面弯矩图（单位：kN·m/m）

图3“外水土+自重”作用下底板Ⅰ-Ⅰ剖面弯矩图（单位：kN·m/m）

根据有限元软件Midas-gen 的特点，本文符号规定：底板内力等值线图中，底板下侧受拉为正，因为研究对象为一个矩形水池，故底板弯矩选择Myy 即可。

3.1“内水+自重”作用下底板外挑对底板内力的影响

根据有限元分析结果，在“内水+自重”作用下，随着底板外挑长度增加，底板的内力呈现出普遍性规律，具体如下：

3.1.1 底板外挑对底板边跨范围内力影响显著。

3.1.2 底板外挑长度为0.0m 时，外池壁支座处底板弯矩绝对值最小，为70.93 kN·/m，底板边跨跨中弯矩绝对值最大，为113.5 kN·/m。

3.1.3 底板外挑长度不为0 时，底板弯矩在外池壁支座处发生突变，底板外挑长度从0.5m 增加到1.5m，随着底板外挑长度增加，外池壁支座外侧底板弯矩绝对值增大，从37.5 kN·/m 增加到102.1 kN·/m，符号不变；外池壁支座内侧底板弯矩绝对值减小，从89.06 kN·/m 减小到73.3 kN·/m，符号不变；随着底板外挑长度增加，底板边跨跨中弯矩绝对值减小，但符号不变。

3.1.4 底板外挑时，外挑部位底板下侧受拉，且随着外挑长度增加，弯矩绝对值越大，在以前的研究和设计中，往往忽略这一点，可能导致底板外挑处下侧配筋不够。

3.2“外水土+自重”工况下底板外挑长度对底板内力的影响（图3）

根据有限元分析结果，在“外水土+自重”作用下，随着底板外挑长度增加，底板的内力呈现出普遍性规律，具体如下：

3.2.1 底板外挑对底板边跨范围内力影响显著。

3.2.2 底板外挑长度为0.0m 时，外池壁支座处底板弯 矩绝对值最小，为91.2 kN·/m，底板边跨跨中弯矩绝对值最小，为37.04 kN·/m。

3.2.3 底板外挑长度不为0 时，底板弯矩在外池壁支座处发生突变，底板外挑长度从0.5m 增加到1.5m，随着底板外挑长度增加，外池壁支座外侧底板弯矩绝对值增大，从3.8kN·/m 增加到23.5 kN·/m，符号不变；外池壁支座内侧底板弯矩绝对值增大，从131.8 kN·/m 增加到137.3 kN·/m，符号不变；底板边跨跨中弯矩绝对值增大，从55.9 kN·/m 增加到62.7 kN·/m，符号不变。

4 结论和建议

本文采用有限元软件Midas-gen，分析总结了不同工况下，天然地基下，底板外挑对矩形有盖水池内力的影响。本文主要研究结论和建议如下：

4.1 底板外挑对矩形有盖水池的内力影响显著，随着底板外挑长度增加，底板和外池壁相互锚固效应增强。

4.2 在不同工况下，底板外挑对矩形有盖水池池壁内力影响显著。随着底板外挑长度增加，外池壁底部支座竖向弯矩绝对值增大，符号不变，竖向跨中弯矩、外池壁水平支座弯矩、水平跨中弯矩绝对值减小，符号不变。

4.3 底板外挑对矩形有盖水池底板的内力影响显著，主要影响底板边跨，且在不同工况下呈现不同的规律。

4.4 以往的研究和设计中，往往忽略底板外挑对水池结构内力的影响。在大型、特大型水池结构中，水池体积大、埋深深，忽略底板挑脚对内力的影响，可能会导致水池局部配筋不足，从而导致安全事故发生。通过本文的研究结果，建议各位工程师在研究和设计中，要重视底板外挑对水池结构内力的影响，特别是体积大、埋深深的水池结构。

4.5 本文的研究也可以为类似的工程项目设计、优化提供参考。