矩形钢筋混凝土水池池壁角隅处配筋方式优化研究

2022-12-01李燕芳王勇华

唐山学院学报 2022年6期

李燕芳，王勇华，张冰，张博

(1.唐山学院土木工程学院，河北唐山 063000；2.北京市市政设计研究总院有限公司，北京 100082)

0 引言

矩形钢筋混凝土水池作为一种特种结构的构筑物，在当前已建成或在建的净水厂和污水处理厂工程中使用较多，这是因为其场地环境适应性强、土方开挖量小、施工操作工艺简单、施工机械台班费用和人工费用低，而且具有耐酸、碱、氧化物腐蚀，抗渗漏以及承受尖锐、厚重物体撞击能力强等优点。净水厂的整个工艺流程中包含的矩形钢筋混凝土水池主要有：取水泵房、配水井、沉淀池、清水池、滤池、吸水井、配水泵房、回收水池、排水池、污泥泵房等。污水处理厂的整个工艺流程中包含的矩形钢筋混凝土水池主要有：进水泵房、沉砂池、沉淀池、生化池、污泥浓缩池、污泥消化池、污泥脱水间等。虽然在实践中设计人员均能参照中国工程建设标准化协会标准——《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS 138：2002对钢筋混凝土水池进行设计，但是却未能对其结构进行深化设计。而且目前虽利用有限元算法对矩形水池进行受力分析的文献很多[1-6]，但应用此算法对其结构中的配筋方式提出优化方案的文献却很少。因此，本文运用MIDAS GEN建筑结构有限元分析软件对简单敞口矩形钢筋混凝土水池进行有限元分析，根据水池壁厚、侧壁高度、顶部支撑、荷载作用高度等约束条件绘制出水池角隅处的弯矩云图，在满足水池角隅处的受力要求和构造要求前提下，基于成本控制理念对池壁角隅处钢筋配置方式进行优化。

1 敞口钢筋混凝土水池池壁受力有限元分析

MIDAS GEN软件的有限元库包含桁架杆单元、梁单元、平面应力(应变)单元、墙(平面内/平面外弯曲)单元、板(厚板/薄板、平面内/平面外厚度、正交异性)单元、只受压(拉)单元及间隙单元等多种单元类型，并且包含静力分析、静力弹塑性分析、几何非线性分析及施工阶段分析等多种分析模式[7]。污水处理厂或净水厂的钢筋混凝土水池以敞口水池为主，池壁模型可以利用MIDAS GEN软件中的板单元进行模拟。

1.1 建立水池模型

利用MIDAS GEN软件建立半地上开口式矩形水池模型。设定该模型为常规水池，几何尺寸为L×B×H=20 m×10 m×5 m(L为池壁长度，B为池壁厚度，H为池壁高度)。

模拟地基。在MIDAS GEN软件中模拟弹性地基，选择所有的底板单元，在model菜单中选择soil spring generate(土弹簧模拟生成)，定义土的弹簧刚度、变形方向，然后选择底板上所有的node(节点)，在node的support选项中选择fix(z，x)，以限制节点在平面内的位移。

模拟加载。MIDAS GEN软件可以快速地在构筑物上施加常用荷载。在自定义荷载中，新建一个满水工况的矩形水池，在load菜单中选择new plate load和by drostatic(静水压力)，并选择所有板单元。确定后矩形水池图中便显示荷载情况，如图1所示。

图1 矩形水池的有限元分析模型

1.2 水池模型结构受力分析

模型建成之后，对其进行受力分析。在MIDAS GEN软件中选择“分析”后会立即显示模型和模型在荷载作用下的细小变形情况，并且在MIDAS GEN软件中可以直观显示出池壁的内力分布情况。图2显示池壁水平向弯矩(Mxx)分布情况，图3显示池壁竖向弯矩(Myy)分布情况。弯矩云图中不同颜色代表弯矩的大小，从中可以看出，池壁中部受压，其角隅处受拉，且角隅处受力最大(红色部分，水平向弯矩为128 kN·m)。竖向弯矩在池壁中间部分最大(红色部分)，为218 kN·m。根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》中6.1.3的有关规定，当四边支承壁板的长度与高度之比大于2.0或三边支承、顶端自由壁板的长度与高度之比大于3.0时，其水平向角隅处的局部负弯矩MCX应按下式计算[8]：

MCX=mcqHB2。

(1)

式中，MCX为池壁壁板水平向角隅处的局部负弯矩(kN·m)；mc为角隅处最大水平向弯矩系数；q为均布载荷值或三角载荷的最大值(kN/m)；HB为池壁高度(m)。

由《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》中6.1.3可知，池壁角隅处最大水平向弯矩系数mc=-0.104，q=50 kN/m，将其代入式(1)得MCX=mcqHB2=-130 kN·m。池壁根部弯矩为：My=qHB2/6=208 kN·m。

图2 池壁水平向弯矩分布

图3 池壁竖向弯矩分布

根据以上有限元计算结果，结合《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》中的有关规定可以得出，钢筋混凝土水池池壁角隅处水平向弯矩最大，为满足水池池壁结构承载力要求，需要加大池壁单位配筋面积。因为现有的常规钢筋混凝土水池池壁角隅处配筋密度较大，存在钢筋绑扎密集、不便于施工且浪费资源的问题，所以本文意在优化角隅处的钢筋配置方式，使所配置的钢筋量既能满足水池的受力要求和构造要求，又能实现缩短工期和节约造价的目的。

2 池壁角隅处钢筋的优化配置

2.1 现有池壁角隅处钢筋配置方式

常规钢筋混凝土水池池壁配筋方式为：将角隅处相邻两侧池壁的水平贯通筋(间距均为200 mm)设计在相近的水平面上，互相锚入相邻池壁，长度1 m为35d(d为钢筋直径)，通过绑扎或者焊接连接，在角隅处设置加密钢筋，加密钢筋与水平贯通筋的间距为100 mm，如图4和图5所示。未优化前，水平贯通筋搭接处(35d)钢筋密集，造成工人在绑扎钢筋时施工操作不便，工期增长，且钢筋绑扎人工成本高，因此水池的工程造价较高。

图4 常规池壁角隅处配筋立面展开图

图5 常规池壁角隅处配筋方式

2.2 优化池壁角隅处钢筋配置方式

优化配筋方式的方案为：在满足池壁角隅处的受力要求和构造要求前提下，对贯通筋的位置进行优化。将池壁相邻两侧的水平贯通筋交错布置，间距为100 mm，并将水平贯通筋直接锚入相邻池壁的长度L延长至1/4H处(H为池壁的高度)，不再配置加密钢筋，结果如图6和图7所示。

图6 优化后池壁角隅处配筋立面展开图

图7 优化后池壁角隅处配筋方式

优化后的配筋方式，既能满足《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》中7.1.11所规定的现浇钢筋混凝土水池池壁拐角处的钢筋应有足够长度锚入相邻池壁或顶内的要求，又能满足《混凝土结构设计规范》GB50010中关于锚固长度应自池壁的内侧算起和最小锚固长度的规定。

3 优化前后工期和造价对比分析

3.1 优化配筋方式后，缩短的工期分析

将优化后角隅处钢筋的配置方式与优化前进行对比(图6和图4)可以得出，角隅处的钢筋不需要进行绑扎连接(35d处)，节约了人工绑扎钢筋的时间，缩短了施工工期。

池壁角隅处节约的钢筋长度为2×35d，节约的每根钢筋重量为Δt=2×35d×10-3×0.006 17×d2×10-3(t)，每个矩形钢筋混凝土水池的池壁角隅处水平钢筋根数为H÷100×4(根)，则每个矩形水池的四角所节约的施工工日为：

ΔT=2×35d×10-3×0.006 17×d2×10-3×H÷100×4×Δg=1.727 6×10-8×H×d3×Δg。

(2)

式中，ΔT为节约的施工工日；d为钢筋直径；H为池壁的高度；0.006 17为圆钢理论重量的计算系数；Δg为钢筋消耗量定额(工日/t)，此值可参照《市政工程消耗量定额ZYA1-31-2015第九册钢筋工程》。

3.2 优化配筋方式后，节约的造价分析

每个矩形钢筋混凝土水池的四角所节约的直接工程费用为：

ΔC=2×35d×10-3×0.006 17×d2×10-3×H÷100×4×(人工费+材料费+机械费)=1.727 6×10-8×H×d3×(人工费+材料费+机械费)。

(3)

式中，人工费=人工消耗量×人工单价；材料费=材料消耗量×材料单价；机械费=机械消耗量×机械单价。

人工消耗量、材料消耗量和机械消耗量可参照《市政工程消耗量定额ZYA1-31-2015第九册钢筋工程》，人工单价、材料单价和机械单价可参照信息价。

4 实例验证

以常规矩形钢筋混凝土水池为例，设定水池高度为5 m，混凝土等级为抗渗混凝土C30，池壁水平所配置的钢筋级别为HRB400，直径为20 mm，污水处理厂的水池总量为20个，则根据公式(2)和(3)，优化钢筋配置方式后此污水处理厂水池所节约的施工工日为：ΔT=20×1.727 6×10-8×H×d3×Δg=20×1.727 6×10-8×5 000×203×6.499=89.8(工日)。所节约的直接工程费用为：ΔC=20×1.727 6×10-8×H×d3×(人工费+材料费+机械费)=20×1.727 6×10-8×5 000×203×(539.417+4 674+93.07)=73 340(元)。