换流站生产、消防水池结构设计探讨

王义鹏+闫勇

摘 要：文章借助SAP2000结构分析软件，从多种荷载工况中选取四种荷载工况，对某换流站工程的生产、消防水池的侧壁进行了结构计算分析。通过对四种荷载工况计算结果的分析，作者认为：（1）生产、消防水池结构计算的控制工况为闭水试验工况；（2）由于生产、消防水池结构的特殊性，其受力较为复杂，在普通地下蓄水池结构设计中经常使用的国标图集05S804《矩形钢筋混凝土蓄水池》对其不具有针对性，不能盲目套用。文章通过对生产消防水池侧壁结构受力特点的分析，提出其结构设计的有关注意事项，为后续工程的设计提供参考。

关键词：换流站；生产、消防水池；结构设计；SAP2000

中图分类号：TU991.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0109-03

引言

由于换流站的阀冷却用水量较大，为了提高生产给水的可靠性，保障换流站的运行安全，换流站内通常会设置生产、消防水池，以用来贮存自来水或经处理后达标后的地下水。在仅有一处站外可靠水源的情况下，生产、消防水池必须保证贮有三天的用水量（大约3000m3至5500m3，其中消防用水400m3）。

换流站生产、消防水池通常与综合水泵房在平面上呈组合式平行布置（如图1），在竖直方向呈半地下式布置（如图2），水池内部存在较多隔墙，形成各自独立的隔断水池，且形状十分不规则，从而导致其结构受力较为复杂。

同时，由于换流站征地和创优等因素，全站建（构）筑物的平面布置较为紧凑，因此，在水池容积一定时，为了减小水池的占地面积，只能增大池内水深及水池侧壁高度，进而对水池侧壁的受力性能提出了更高的要求。

目前，在水池结构设计中国标图集05S804《矩形钢筋混凝土蓄水池》被广泛应用，但该图集仅適用于全地下式结构且容积不大于2000m3的单格蓄水池。对于换流站中结构形式复杂的生产、消防水池的结构设计不具有针对性，且相关的文章并不多见。本文借助某换流站工程中生产、消防水池的结构设计实例，分析该水池侧壁的受力特点，旨在提出生产、消防水池结构设计时的注意事项，为以后结构设计提供参考。

1 某换流站工程生产、消防水池简介

某换流站工程生产、消防水池（如图1和图2）容量5800m3，整个水池被划分为3部分：两个贮水池（底板顶标高-2.500米，最大水深约7.2米），一个吸水坑（底板顶标高-4.000米，最大水深约8.7米）。三部分独立存在，即各部分是否贮水互不影响。

2 生产、消防水池结构受力分析

2.1 水池结构计算荷载工况

根据《给排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》[2]，结合本文所研究的生产、消防水池的结构特点，计算荷载工况的选取见表1。

由于生产、消防水池结构的特殊性，水池三部分的贮水情况相互独立，因此在进行结构的正常使用工况计算时需要考虑水池各部分贮水情况的组合，如表2。由于水池A和水池B具有相似性，本文选择下列4种计算工况：（1）工况一：闭水试验，吸水坑和水池A，B均满水；（2）工况二：使用时水池B满水，吸水坑和水池A无水；（3）工况三：使用时吸水坑和水池A，B均满水。（4）工况四：使用时池内无水。

2.2 水池结构计算

由于该水池结构型式复杂，作者利用SAP2000有限元结构分析软件对生产、消防水池进行三维建模计算，如图3。

2.2.1 工况一（闭水试验：吸水坑和水池A，B均满水）

该工况下水池内部隔墙在水压力作用下受力平衡，故只需讨论外墙受力情况。

从图4外壁竖向弯矩云图可以看出，工况一下，外壁底部的应力集中比较明显，其中泵房侧外壁受力最为不利，底部最大弯矩值为507.9kN-m/m，竖向中部最大弯矩为312kN-m/m。

从图5外壁水平弯矩云图可以看出，外壁转角处的应力集中比较明显，支座负弯矩最大值出现在吸水坑泵房侧的外壁边缘处，其弯矩值为342.5kN-m/m，水平中部最大弯矩也出现在吸水坑泵房侧的外壁处，其最大值为105.8kN-m/m。

2.2.2 工况二（使用时水池B满水，吸水坑和水池A无水）

从图6水池B侧壁竖向弯矩云图可以看出，水池侧壁底部均有较大的应力集中，其中，竖向底部最大负弯矩出现在中间隔墙底部，为348kN-m/m。竖向中部最大弯矩出现在外墙中部，为241kN-m/m。

从图7水池B侧壁水平弯矩云图可以看出，外壁转角处的应力集中比较明显，最大值为292kN-m/m。水平向中部最大弯矩为82kN-m/m。

2.2.3 工况三（使用时吸水坑和水池A，B均满水）

该工况下水池内部隔墙在水压力作用下受力平衡，故只需讨论外墙受力情况。

从图8工况三下外壁竖向弯矩云图可以看出，本工况的计算结果与工况一的大致相同，边缘竖向最大弯矩和中部竖向最大弯矩均位于吸水坑泵房侧的外墙上，竖向底部最大弯矩为456.7kN-m/m，竖向中部最大弯矩为309kN-m/m。

从图9工况三下外壁水平弯矩云图可以看出，本工况的计算结果与工况一的大致相同，边缘水平最大弯矩位于吸水坑泵房侧的边缘处，为253kN-m/m，水平中部最大弯矩为102.2kN-m/m。

2.2.4 工况四（使用时池内无水）

该工况下水池内部无水压力作用，故只需讨论外墙受力情况。

从图10工况四下外壁竖向弯矩云图可以看出，由于水池内无水，所有荷载作用于水池的外表面，水池外壁竖向弯矩呈上下两头大，中间小的规律，最大值为65kN-m/m。

从图11工况四下外壁水平弯矩云图可以看出，虽然有应力集中现场，但数值上并不明显，最大值仅为36kN-m/m。

2.2.5 四种工况对比分析

通过对比四种工况作用下，侧壁弯矩的最大值及其所在位置，可以发现：（1）各个工况水池壁的竖向弯矩均在池壁底部有明显的应力集中现象。其中，工况一吸水坑泵房侧的池壁底部应力集中的现象尤为明显，其弯矩值高达507.9kN-m/m；同时，其中部的竖向弯矩也相对于其他工况和其他部位也最大，弯矩值达312kN-m/m。（2）各个工况水池壁的水平弯矩均在池壁转角处有明显的应力集中现象，其中工况一吸水坑泵房侧池壁边缘处尤为明显，边缘最大弯矩值为342kN-m/m。

3 结束语

（1）由于换流站内生产、消防水池的吸水坑通常比水池深，且与综合水泵房共侧壁，该侧壁在水泵房内无侧向支撑，因此在吸水坑满水状态时，该侧壁受力最为不利，从计算结果也可以看出，该侧壁底部弯矩远远大于其他部位。

（2）在闭水试验工况中，水池侧壁底部弯矩和边缘水平弯矩远大于同侧的跨中弯矩。因此，作者建议在侧壁配筋计算时，对于边缘负弯矩较大的部位，应考虑多设置附加钢筋，减少通长钢筋的设置。

（3）根据计算结果可以看出，生产、消防水池侧壁的控制工况为闭水试验工况；而国标图集05S804《矩形钢筋混凝土蓄水池》的控制工况则是“运行时池内无水”工况。因此，该图集对于生产、消防水池的结构设计不具有针对性，不能盲目套用。

（4）对于吸水坑满水水深较大的生产、消防水池，笔者建议工艺专业应考虑将水池的中间隔墙延伸并贯通吸水坑，以降低吸水坑侧壁底部局部过大的弯矩。

参考文献：

[1]中国建筑标准设计研究院.国家建筑标准设计图集.矩形钢筋混凝土蓄水池.05S804[S].中国：中国计划出版社，2007，2.

[2]北京市市政工程设计研究总院.给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].北京，2002.

[3]陈载赋.钢筋混凝土建筑结构与特种结构手册[M].四川：四川科学技术出版社，1991，12.

[4]北京金土木软件技术有限公司.中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2012，1.endprint