水池壁板开洞后整体性能研究

闫富杰， 张旭鹏

（1．郑州市污水净化有限公司，河南 郑州 450000；2．天津市市政工程设计研究院，天津 300392）

1 数值分析模型

水池模型采用线弹性理论计算，利用通用有限元软件ANSYS，选取SHELL181 单元模拟水池壁板。SHELL181 为4 节点单元，每个节点6 个自由度，计入剪切变形，可以很好地模拟水池壁板面外弯曲行为。建立8 m×8 m×8 m（板厚0.4 m）矩形水池模型，洞口分别为1.0 m×1.0 m、1.6 m×1.6 m。对板进行区格划分，例如8 m×8 m 的板对于1.0 m×1.0 m 洞口划分10×10 区格，洞口可能发生在任何一个区格内，采用ANSYS循环计算的方式，对所有可能开洞的位置进行模拟计算。见表1。

表1 数值分析模型参数

水池底板一般较厚，所以选择底端固定约束。荷载为水压作用下的三角形荷载，见图1。为便于数据分析，将开洞板命名为A，相邻板命名为B。将A、B单独提取出来进行结果分析。

图1 水压力荷载

2 弯矩位置编号

选取无盖水池，池壁顶端为自由端，所以池壁配筋主要弯矩为池壁顶端水平向弯矩M1、M2、M3；池壁中间水平向弯矩M4、M8、M5；池壁中间竖直向弯矩M6、M7。对于板开洞位置，板的左右两侧对称，将板一半区格进行编号。见图2和图3。

图2 水池配筋主要弯矩

图3 洞口编号

3 结果分析

3.1 开洞板弯矩

分别对1.0 m×1.0 m 洞口和1.6 m×1.6 m 洞口的32 个位置和15 个位置进行计算，提取影响配筋控制弯矩值最大的3 个洞口位置，见表2-表9。表2-表9中0表示无洞口，其余洞口位置与图3对应。

表2 开洞位置对M1的影响

表3 开洞位置对M2的影响

表4 开洞位置对M3的影响

表5 开洞位置对M4的影响

表6 开洞位置对M5的影响

表7 开洞位置对M6的影响

表8 开洞位置对M7的影响

表9 开洞位置对M8的影响

由表2-表9可以看出，水池壁板开洞后对M2、M3、M5、M6、M7、M8均有明显的影响，对M1、M4影响较小，可以忽略。由于分析的是对称的一半壁板开洞位置，M1和M4距离洞口较远，影响较小。

观察对板主要弯矩值影响最大的洞口位置，可以发现，洞口周围弯矩变化较大，当洞口出现在配筋控制弯矩附近时，洞口周围会出现配筋控制弯矩值变化较大的情况。所以，需注意当按照板最大弯矩值配筋且洞口位于最大弯矩附近时的情况。见图4-图7。

图4 板侧边横向弯矩分布

图5 板底板竖向弯矩分布

图6 板中间横向弯矩分布

图7 板中间竖向弯矩分布

由图4-图7 可以看出：板侧边、板中间的弯矩值均出现洞口附近弯矩突变的情况，随着距离洞口距离增大，弯矩值迅速恢复与未开洞板相当的水平，所以在洞口两侧附近设置加固钢筋可以满足受力要求。

但是当洞口出现在板底边时，洞口两侧弯矩值与未开洞板相比变化较平缓，弯矩大于板跨中最大弯矩较多，此时仅在洞口附近设置加固钢筋不能满足受力要求，需要增大洞口加固钢筋的布置范围。见图8。

图8 1.0 m×1.0 m洞口在板底边时板的竖向弯矩

结合图8，在按照M7进行板下部竖向配筋时，洞口周围弯矩＞M7的区域均需要加固。将洞口在板底边各个位置时，板底边竖向弯矩值超过未开洞板底M7的范围标注出来，见图9 和图10。图9 和图10 中增长率为相对于未开洞板M7。

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图9 1.0 m×1.0 m洞口板底板弯矩增大区域

由图9和图10可以看出：弯矩大于未开洞板底M7总是出现在跨中的位置；所以洞口加固钢筋应该在跨中合理的布置；当洞口增大时，即使洞口距离板跨中位置较远，板跨中弯矩也会增大，洞口周围的弯矩并没有超过跨中弯矩值，当按照跨中弯矩值进行板底部配筋时，洞口周围理论上不需要布置加固钢筋，仅在洞口角部布置钢筋抵抗应力集中即可。

当洞口在板跨中，洞口到板第距离对M7的影响，见表10。

表10 板跨中洞口到板底距离对M7的影响

由表10 可以看出：洞口距离板底＜300 mm 时，板跨度1/3～2/3的范围内，建议均匀布置竖向加固钢筋。

3.2 相邻板弯矩

在结构设计中，两块相邻的池壁板厚度相差不大时，池壁两端的约束按照固定约束计算。但是，当洞口出现在池壁边缘或者距离池壁边缘较近时，不仅影响开洞板的受力状态，相邻板由于洞口处的约束消失或者减弱，弯矩同样会发生变化。规范规定的洞口加固钢筋锚固长度仅考虑了洞口附近的受力［2］，没有对于相邻板的弯矩变化提出明确的应对措施。当洞口在池壁边缘，进一步分析相邻板边缘的弯矩分布情况并调整洞口距离板边缘的距离，得到洞口对相邻池壁受力状态影响可忽略的临界距离。见图11和图12。

图11 洞口对相邻板受力影响编号

图12 相邻板侧边横向弯矩

由图11和图12可以看出，洞口在板边缘时，对相邻板的弯矩有较大影响，相邻板在洞口附近需要加固处理。洞口距离板边缘的距离对于相邻板的弯矩影响见表11。

表11 洞口距离板边缘的距离对相邻板M4的影响

由表11 可以看出，当洞口距离板边缘较近时，对相邻板侧边的弯矩分布影响较大，弯矩增长可达25%。传统的洞口加固方式不能满足相邻板的弯矩变化，相邻板在洞口区域需要设置负弯矩钢筋。

从图12 可以看出，与洞口平行的区域弯矩很小，与洞口相邻的两边弯矩突然增大。所以，只需将洞口的横向加固钢筋延长，充当相邻板的负弯矩钢筋即可。文献［1］规定“支座负弯矩钢筋向跨内延伸的长度应根据负弯矩图确定并满足钢筋锚固的要求”。

从图12 和表11 可以得到，弯矩＞M4的区域仅在网格划分最小宽度200 mm 范围内，根据实际水池的尺寸，200 mm 网格尺寸是较为精确的。结合表11 的数据可以得出：当洞口距离板边缘＜500 m时，洞口与板边垂直方向的钢筋需锚入相邻池壁，锚固长度建议取

式中：Lab’为钢筋锚入相邻池壁的长度；Lab为规范规定的钢筋锚固长度；b为相邻池壁的厚度。

4 结论

1）板侧边、板中间均出现洞口附近弯矩突变的情况，随着距离洞口距离增大，弯矩值迅速恢复到与未开洞板相当的水平，所以在洞口两侧附近设置加固钢筋可以满足受力要求。

2）当洞口出现在板底边时，洞口两侧弯矩值与未开洞板相比变化较平缓，弯矩大于板跨中最大弯矩的区域较大，此时仅仅在洞口附近设置加固钢筋不能满足受力要求，需要增大洞口加固钢筋的布置范围。

3）当洞口出现在板底边跨度1/3～2/3 处且距离板底边＜300 mm 时，板底边跨度1/3～2/3范围内均可能出现弯矩大于设计值的情况，建议在板跨度1/3～2/3的范围内，均匀布置竖向加固钢筋。

4）当洞口距离板边缘＜500 mm 时，建议洞口与板边垂直方向的钢筋需锚入相邻池壁，锚固长度建议取Lab'=Lab+b+200。