工业水池设计要点浅析

刘兰兰,胡 杨,冯雪花

(大连市化工研究设计院,辽宁 大连 116023)

工业水池设计要点浅析

刘兰兰,胡 杨,冯雪花

(大连市化工研究设计院,辽宁 大连 116023)

针对钢筋混凝土矩形水池结构的特点,从荷载的选取与组合、内力计算方面,介绍了钢筋混凝土矩形水池设计时应该注意的问题;探讨了保证水池结构设计技术的经济合理及安全有效的简化计算。在满足工艺条件和保证安全使用的前提下,通过对比分析,总结了开敞式钢筋混凝水池计算的简化方法,供同行参考。

矩形水池;荷载组合;简化计算

水池是工业设计项目中不可缺少的重要构筑物,在纯碱、干铵等各类厂房建筑中,由于工艺要求,一般都会包含对水池的设计(例如污水池、缓冲池等)。池体结构一般由池壁、底板和顶盖所组成。从结构类型来看,水池可分为无顶盖的开敞式池、有顶盖的封闭式池和带走道板的半封闭式池;按几何形状分为:圆形和矩形;按安置方式可分为:地下式、半地下式和地上式;因建筑材料不同又可分为:砖池、浆砌石池、钢筋混凝土池等。

钢筋混凝土矩形水池,在工业水池设计中占较大比例。一方面,矩形水池对场地适应性较强,特别是在狭长地带,矩形水池有利于节约用地、减少开挖,同时又便于配合工艺要求进行水池间的组合和管道连接;另一方面,矩形水池的模板制作以及施工简单;另外,钢筋混凝土的主要优点是便于取材,耐久性、防腐蚀、防渗性能好。

对于土建人员来讲,即要满足工艺要求,又要使结构设计合理,计算简便。本文结合某干铵厂房其中的一个环保池的设计过程对钢筋混凝土矩形水池的计算进行总结,并提出了合理可靠简便的计算方法。

1 截面尺寸的确定

水池的主要尺寸由工艺要求及设计技术条件确定。现浇整体式顶板的厚度:当采用肋梁顶盖时不宜小于100 mm,当采用无梁板时不宜小于120 mm。水池池壁的厚度:一般认为从构造要求出发,池壁壁厚宜选取在150～300 mm,如果厚度过大对温度应力不利,太薄会使混凝土受压区变小对设计不利,同时也会造成施工困难。底板厚度:采用分离式底板时,底板厚度不宜小于120 mm,并在底板顶面配置钢筋网,必要时也要在底板底面配置,确保底板在温度、湿度变化影响下以及地基中存在局部软弱土层时不至于开裂;整体式底板的厚度:当采用肋梁时不宜小于120 mm,当采用平板或无梁底板时不宜小于150 mm。水池底板一般应挑出,挑出长度宜为1～1.5倍的池壁厚度。

2 荷载的选取与组合

2.1 荷载的分类

2.1.1 顶板荷载

对于有顶盖的封闭式水池,顶板作用的荷载由恒载及活载组成,恒载包括覆土荷载和顶板自重;活荷载包括顶板活荷载和地面活荷载。全地下水池,只考虑地面活荷载;半地下式或地面水池,只考虑顶板活荷载;敞口水池无顶板荷载计算。

2.1.2 池壁荷载

池壁作用的荷载包括:池内水压力、池外土压力、池外地下水压力、地面活荷载及温度(湿度)作用产生的应力。

1)池内水压力(作用于壁板内侧)是水池承受的主要荷载之一,偏于安全考虑按满池来计算水压。

2)对地下或半地下式水池,土对池壁有侧压力。侧压力通常用朗肯土压力理论计算,土的各参数可按岩土勘察报告所提供的实际数值取用。

3)当地下水位线在水池埋置深度范围内,池壁外侧除考虑地下水位以下的土由于水浮力使土的有效重度降低而对土压力的影响。同时,地下水对池体的托浮也不容忽视,设计时应进行抗浮稳定验算,并采取有效措施防止水池漂浮事故发生。

2.1.3 底板荷载

池底所受的荷载为地基反力,一般按均布考虑,在计算地基反力的过程中,不应把池内液体的自重加入计算,因为池内液体的自重对于底板而言为有利条件,它的存在可以削弱地基反力对底板的影响。地下水压力对水池底板的托浮力是威胁水池底板安全的一种主要荷载,设计过程中应予以重视。为了抵消地下水对底板的影响,在无梁板作为底板时,其最经济最有效的办法是以池底挑出部分的填土来平衡,而采用增加结构自重的方法是不经济的。

2.1.4 温、湿度荷载

由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺要求以及季节变化等,造成池壁产生膨胀和收缩。当变形受到约束时,在池体中产生相应的温度或湿度应力,从而导致混凝土池壁产生裂缝。对于冬夏或早晚温、湿差较大的地区,温、湿度荷载计算不可忽略[1]。

2.2 荷载的组合

水池设计中通常考虑以下三种工况:

①池内水压+自重(对应工况为:池内有水,池外无土)。

②池外土压+自重(对应工况为:池内无水,池外有土)。

③池内水压+自重+温、湿度荷载。

第①种工况为闭水试验;第②种工况为池内无水(如建成运营前、检修期),而池外有土,同时还需考虑地面堆积荷载以及池外地下水压力共同作用。

第①、②种工况是半地上式和地下式水池的必需组合;第③种工况用于冬夏或早晚温、湿差大的地区,并且没有采取任何保温措施的水池。

3 内力计算

水池的内力计算包括池壁内力计算和底板内力计算。不同边界条件和地基反力模型的选取对水池的内力计算结果有很大影响。底板计算时,视水池底板的结构形式而定,当水池池壁采用独立基础时,底板的反力按直线分布考虑;对于一般结构平面尺寸较小的水池,底板多为等厚平板,须按不同荷载情况计算内力,再进行组合叠加。

以下重点介绍池壁内力计算的方法及其应注意的问题。

水池池壁的内力按弹性理论计算,矩形水池的壁板为矩形板,其计算可按混凝土结构矩形板的计算方法划分为单向板和双向板进行计算。

矩形水池的水平转角在计算假定时,被认为是相邻池壁的支座,池壁要承担水(土)压力引起的边缘负弯矩,因而受力钢筋需要可靠的锚固。又因池壁较薄,受力钢筋通常需要弯折到相邻池壁中,这样由于钢筋相互锚固,以及连续配筋和构造配筋,从而节点处可认为固接,如图1所示。

图1 开敞式全地下矩形水池计算简图

池壁底端土压力标准值为:q=γH Ka

式中:Ka=tan2(45°-);

q——池壁底端土压力标准值,kN/m2;

γ——土的天然重度,kN/m3;

H——池壁的高度,m;

L——池壁长度,m;

Ka——主动土压力系数;

φ——土的内摩擦角C0。

为了便于对比分析,本文针对开敞式矩形水池池壁分别取三种模型:H=3.0 m、H=4.0 m和 H=5.0 m,三种模型的 H/L(L为池壁长度,H为池壁高度)的值对应相同,不考虑地下水及地面活荷载的影响,荷载取第②种工况组合,土的内摩擦角取30°,土的重度取 18 kN/m3。

则当:

H=3.0 m时 q=γH Ka=18 kN/m2

H=4.0 m时 q=γHKa=24 kN/m2

H=5.0 m时 q=γHKa=30 kN/m2

具体如表 1、2、3。且表 1、2、3中:

M下——池壁底部外侧弯矩;

M左、M右——池壁两侧(如图1为左侧和右侧)的弯矩;

M水平、M竖向——池壁内侧跨中弯矩。

表1 H=3.0m,q=18 kN/m2

表2 H=4.0 m,q=24 kN/m2

表3 H=5.0 m,q=30 kN/m2

图2 池壁底部外侧弯矩与 H/L的关系

由表1、2、3中数据可知:当时 L/H ＜0.5,板底弯矩为零;当 L/H＞0.5时,无论是按单向板还是双向板考虑,都是池壁底部外侧弯矩起控制作用;图2能明显的看出:3条曲线外形一致,而且有着同样的“拐点”,而“拐点”对应的横坐标几乎为同一点,为L/H=2.8处。当 L/H＞2.8时,按板计算时的底部外侧弯矩趋于定值(M定)。

下面把3种模型中当L/H＞2.8时的池壁做简化计算:取1 m宽的竖向板带,如图3所示,简化为悬臂梁(梁宽1 m,梁高为板厚),如图4所示。

图31 m宽板带

以下对图4悬臂梁底端最大弯矩 M悬与L/H＞2.8时,按板计算时的底部外侧弯矩 M定进行比较:

图4 悬臂梁

通过以上对比可知:当 L/H＞2.8时,在水平荷载作用下按板计算得出的池壁底部外侧弯矩均小于按简化悬臂梁的底部最大弯矩,所以实际工程中可以把满足L/H＞2.8的开敞式水池池壁简化为悬臂梁计算。通常把L/H取整,即L/H=3作为划分单、双向板的界限,这样偏于安全。

4 结 论

1)当L/H＞3时,池壁可为单向板考虑,在水平荷载作用下,荷载几乎全部沿竖向传递。计算时沿池壁长度方向L向取1 m宽板带作为计算单元,池壁按竖向单向板算,对于开敞式水池池壁即按悬臂板计算。

2)当0.5≤L/H≤3时,池壁为双向板,在水平荷载沿2个方向传递,且荷载传递复杂,首先按单块双向板用查表法进行计算,再考虑相邻壁板之间的变形连续性,按相邻板的线刚度比对板端弯矩进行调整,最终求得板的跨中弯矩。对大型、重要的双向板池宜用整体分析方法。

3)当L/H＜0.5时,在大于池壁高度2L的范围内荷载全部沿水平向传递,此范围内的壁板按水平单向板计算;在池壁高度2L以下荷载沿2个方向传递,此范围内的壁板按双向板计算,H=2L处视为双向板的自由端。

[1]GB50069-2002给排水工程构筑物结构设计规范[S].

[2]CESC138-2002给排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].

[3]建筑结构构造资料集编委会.建筑结构构造资料集[S].北京:中国建筑工业出版社,2006

[4]朱彦鹏.特种结构[M].武汉:武汉工业大学出版社,2002

[5]宋京卫.关于常见钢筋混凝土水池设计的几点体会[J].华北石油设计,2002(2):15～17

[6]王兆霞.钢筋混凝土矩形水池的设计[J]国外油田工程,2003(10):41～43

[7]郝素英,钢筋混凝土水池设计计算手册[M].北京:中国建材工业出版社,2006

TU 279.7

:B

:1005-8370(2011)02-25-05

2010-12-15

刘兰兰(1982—),2010年毕业于西南交通大学土木工程学院,工学硕士。