某钢筋混凝土变壁厚水池有限元分析与设计

刘 娜

(中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京 210019)

随着城市化的迅速发展，人口迅速扩张，环境污染日益严重，城市污水处理越来越重要，因而大型钢筋混凝土污水处理水池项目就日益增多。由于体型较大且随着混凝土等级的提高，大型钢筋混凝土水池出现裂缝的几率也大大增加。本文将用有限元计算软件MIDAS/GEN对某钢筋混凝土矩形水池进行有限元结构分析，研究其在不同外力条件下的内力及裂缝情况，为工程提供合理的配筋设计。

1 水池弯矩及裂缝计算公式

钢筋混凝土水池在外部土压力、内力水压力及温度作用下，很容易产生裂缝，也是钢筋混凝土水池设计和施工中最应该注意的地方。一般情况下，水池产生裂缝主要有以下几个方面的原因:1)荷载作用造成的裂缝;2)混凝土收缩和温(湿)差变形造成的裂缝;3)材料质量不良造成的裂缝;4)构造措施不良造成的裂缝。

根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》的裂缝宽度计算公式:

ωmax=1.8φ(σsq/Es)(1.5c+0.11d/ρte)(1+ α1)v［2］(其中各符号意义详见相关规程)。

水池设计一般先建立有限元模型，进行内力(包括弯矩和拉压力)计算，初步确定水池池壁和底板配筋，然后以此配筋结果推算出裂缝，一般污水处理池最大裂缝宽度应控制在0.2 mm［2］。一般的小型水池结构，采用等壁厚受力形式，设计及内力计算方便，但是对于中型或者大型水池，尤其是池体较深时，出于经济考虑，经常采用变壁厚形式。

2 工程概况

2.1 工程概况

拟建工程为江苏省常州市某轧钢厂一次铁皮沉淀池，工程抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g;建筑场地类别为Ⅳ类;建筑重要性等级为二级;抗震设防类别为丙类。池体平面为矩形，长30.0 m，宽为10.0 m，底板埋深6.0 m，底板厚0.8 m，底板外挑0.8 m。侧壁为变截面，壁厚为0.4 m～0.8 m渐变。池内最大水深为6.0 m，池外地下水位为－2.0 m。其平面及剖面布置图如图1，图2所示。

图1 水池平面布置图

2.2 水池建模及有限元分析

添加材料C30;厚度;建立轴网，分布建立变壁厚矩形水池实体模型，然后划分网格(本模型比较规整，因此网格单元尺寸取1.0 m)，添加荷载(包括自重、外部土压力荷载、池内土压力荷载、底板水压力荷载及温度梯度)，添加底部约束，水池底板用面弹性支承来考虑土体的作用，地基弹性模量:25 000 kN/m3，弹性连接长度:1.0 m。最后对模型进行有限元分析，得到结构内力和变形。查看池壁及池底内力，按受弯构件计算配筋面积As，按照相应公式验算裂缝。

该水池有限元模型中应有以下几种荷载组合:

1)glcb1=1.2×自重 +1.27×池内水压力。

2)glcb2=1.2×自重+1.27×池外水土压力。

3)glcb4=1.2×自重 +1.27×池内水压力 +0.91温度。

4)glcb5=1.2×自重 +1.27×池外水土压力 +0.91温度。

程序在计算温度梯度时，未考虑混凝土板开裂后的影响，故温度荷载组合时将温度梯度荷载的组合系数乘以0.65，即1.4×0.65=0.91。

MIDAS/GEN中通过对该沉淀池的有限元静力分析，得到水池池壁及底板的弯矩值和轴力值(见图3～图5)。得到内力后，按规范进行水池池壁及底板的配筋设计。水池竖向弯矩应按受弯构件计算;水池水平向弯矩和水平拉力一般按偏心受拉构件计算;池底按受弯构件或偏心受拉构件计算。

图3 池壁轴力图（Fxx/kN）

图4 池壁弯矩图（Myy/kN·m）

本例中最不利荷载组合方式为组合3)，得出池壁最大弯矩设计值Myy=380 kN·m，标准值Myyk=308 kN·m。按受弯构件并满足ωmax=0.20 mm，查《钢筋混凝土水池设计手册》得池壁内外配筋D20@200，底部3 m范围内附加D20@200，即配筋为D20@100。水池底板最大弯矩设计值Myy=380 kN·m，标准值Myyk=320 kN·m，最大拉力设计值Fxx=260 kN，标准值Fxx=205 kN，按偏心受拉构件并满足ωmax=0.20 mm，查得底板上下配筋D20@200，池壁根部3 m范围内附加D20@200，即配筋为D20@100。池壁环向最大拉力设计值Fyy=398 kN，标准值Fyyk=320 kN，环向最大弯矩设计值Mxx=480 kN·m，标准值Mxxk=419 kN·m，按偏心受拉构件满足ωmax=0.20 mm，查得池底向上3 m范围内环向内外配筋D18@150，转角角隅处3 m范围内附加D18@150，即配筋为D18@75;池底向上3 m～6 m范围内环向内外配筋D16@150，转角处3 m范围内附加D16@150，即配筋为D16@75;池底向上6 m～池顶范围内环向内外配筋D14@150，在转角处3 m范围内附加D14@150，即配筋为D14@75。

图5 池底弯矩图（Myy/kN·m）

运用有限元软件，可以全面地了解水池整体受力情况，很直观，精确地给出结构设计所需要的内力值。尤其对变壁厚水池进行有限元分析，结构模型更合理，计算更精确，尤其是在温度变化较大的情况，有限元软件分析更接近工程实际。因此，水池的有限元分析能够在确保安全的前提下，为工程设计提供更合理更经济的方案。

3 结论与建议

本文通过对变壁厚钢筋混凝土水池有限元分析，无论是对结构形式还是荷载及约束的模拟都较普通线性计算更为准确细致。因此，该方法计算出的内力及配筋结果比传统简化计算方法更为真实可靠，应该在实际工程设计中得到广泛应用。同时，也应该注意到，水池裂缝产生的因素有很多种，本文中有限元计算并没有办法考虑所有可能造成水池裂缝因素如施工过程中的影响。因此，在对水池的设计中，在利用有限元分析软件的同时也应当同时考虑施工经验，尽可能多地考虑到裂缝可能产生的因素，并积极采取减少裂缝产生的措施，例如，采用较细直径钢筋或更高强度的混凝土以及重视施工过程中的养护等。

［1］CECS 138∶2002，给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程［S］.

［2］钢筋混凝土水池设计计算手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［3］MIDAS/GEN(Structural Engineering System)［Z］.北京:北京迈达斯技术有限公司，2009.