矩形混凝土水池在結構設計中的優化處理

吉喬偉 金靈志 陳燁 唐穎棟 汪孝力

矩形混凝土水池在結構設計中的優化處理

吉喬偉1金靈志2陳燁1唐穎棟1汪孝力1

（1.華東勘測設計研究院 浙江杭州 310014 2.杭州市發展規劃研究院 浙江杭州 310014）

本文從矩形敞口水池結構設計優化的角度出發，采用有限元軟件strat，對矩形敞口水池進行了建模計算，分析了不同高寬比水池角隅區受力分布特點。通過與規范方法對比，提出了優化水池腋角處理形式及優化水池角隅區配筋量兩種結構設計觀點，供工程設計參考。

水池 有限元 角隅區 腋角 加強區

引言

水資源是人類社會發展的重要基礎條件，水資源危機使人類意識到急需制定科學的用水戰略，合理分配用水資源。為此，人們采取多種措施，來改善我們的生存環境，污水處理正是其中的一種常用手段。水務工程60%以上的投資是由一些構筑物水池組成，但目前由于國內并沒有針對構筑物水池的專門結構計算軟件，結構設計者大都只能依據現有規范，取出簡單構件模型通過手算加經驗進行工程設計，結構是否合理、造價是否經濟有待深入論證。

筆者通過華東院的總承包水務工程實踐，去尋找出較為合理的結構模型，解決主要問題是矩形混凝土水池角隅加強區的優化設計、構筑物腋角處理形式。

1 優化方案的提出

1.1 優化水池腋角處理形式

目前矩形水池設計中關于腋角的處理一般都按《給水排水工程結構設計手冊》（以下簡稱《設計手冊》）中的要求，在池壁拐角及池壁與頂、底板的交接處設置腋角，并配置構造鋼筋，配筋量一般取墻或頂、底板截面內受力鋼筋的50%。實際施工過程中，由于腋角的存在，往往需要將模板切割成條狀，造成極大浪費，增加了投資。另一方面，由于腋角處鋼筋密集、水平、豎直、橫縱向鋼筋及池壁豎向筋和腋角斜筋交插等原因，導致腋角處混凝土下料、振搗等都比較困難，如稍有不慎，該部位會出現露筋、露石、蜂窩、孔洞等缺陷，詳見圖1、圖2。水池轉角加腋僅為一個建議構造措施，設計過程中腋角筋并未按參于受力分析來考慮，且規范中也并未明確一定需要進行加腋處理，角隅處的加腋能否取消？針對這個問題，總承包設計組人員召開會議，針對水池轉角處加腋存在的必要性進行了探討，根據小組探討結果，小組成員認為，常規設計中水池轉角處的加腋存在優化空間。

圖1 水池腋角處配筋示例

圖2 腋角處澆筑缺陷示意

1.2 優化水池角隅區配筋量29

由于目前針對水池結構設計缺乏整體建模的軟件，結構設計者大都依據現有規范，取出簡單構件通過手算加經驗進行工程設計，這將缺乏對水池整體受力分布情況的深入了解，因此得出的結果并不是很精確，這樣對于投資額較大的項目有可能會造成浪費或結構偏不安全。目前對水池結構角隅處的彎矩分布情況了解較少，單向受力水池設計時，一般在角隅處按照《設計手冊》進行全高度范圍的配筋加密，池壁豎向配筋部分在角隅處也不加以折減，而且加強筋長度一般取池壁高度的1/3。于是設計小組召開會議，針對水池角隅處實際受力進行了探討，根據探討結果，認為水池根據《設計手冊》中角隅加強法并未反映角隅處實際的受力情況，可能出現浪費。根據經驗，角隅處的配筋幾乎達到水池池壁配筋總量的25%，這個量不能忽視，如果通過精確的受力分析，掌握水池角隅處內力分布，對薄弱區域進行配筋加強，使結構受力更加合理化，能達到減少投資的目的。

2 水池角隅處受力的優化分析

鋼筋混凝土矩形水池大部分為平板單元構件組成，平板分為薄板和厚板，區分界限為厚度t與另兩個方向的最小尺寸之比是否小于1/15，小于1/15的為薄板，大于1/15的為中厚板。按此原則劃分，水務工程中鋼筋混凝土矩形水池大部分為薄板單元構件。

針對敞口水池角隅處X向及Y向彎矩分布，計算軟件采用strat有限元分析軟件以更直觀、更具操作性和更圖形化的方式進行有限元分析。Strat軟件是自主開發的、具有完全知識產權的國產大型通用有限元軟件，可以分析各種類型的結構，其中平板結構單元就很適合構筑物的分析。

2.1 有限元模型的建立

模擬地基：模擬土體單向拉壓彈簧功能，準確模擬地基土對內水壓、水浮力作用的差異，內水壓作用下，地基土對底板彈性支撐，水浮力作用下地基土退出工作。

模擬加載：模擬內部水壓力、外部水壓力、外部土壓力，導算水荷載沿高度指數變化的垂直表面壓力。

模擬內外溫差：通過定義一種荷載，即可完成復雜的內外溫差的荷載加載。采用整體模型，精確計算復雜池、倉的溫度形內力。

模擬季節溫差：定義溫度場，計算季節性整體溫度變化，通過地彈簧模擬地基土對結構整體伸縮的約束作用。

結果輸出：

通過有限元模型計算結果得出，水池最大變形為水池上部的四個角部的水平變形，以及池壁中間部位與底板交接處的豎向變形。通過計算可得，矩形水池設計的薄弱環節為四個角隅處，以及池壁中間部分與底板交接處。這也正是水池設計的關鍵點。

2.2 單塊池壁水平向及豎向彎矩分布

以長方向池池壁（20mx5m）為例進行分析，圖3為長方向池壁水平彎矩（X向彎矩）分布圖，圖4為長方向池壁豎向彎矩（Y向彎矩）分布圖。

圖3 池壁水平向彎矩分布

從圖3和圖4中可以看出，水平彎矩在角隅區最大，豎向彎矩在池中間部分最大。角隅區水平彎矩上大下小；豎向彎矩上小下大。角隅區最大水平彎矩為：126KN.m；池中間部分最大豎向彎矩為：190KN.m；根據彎矩分布圖可分析得出，水池在使用狀態下的結構薄弱環節是在角隅處和中間部分的池壁根部。此部分結論與《設計手冊》中關于池壁受力的定性描述相吻合。在圖3和圖4基礎上，判斷出，水平彎矩在離角隅處H/5處已經減少了50%以上，豎向彎矩同樣在離池壁根部H/5位置處也減少了50%以上，結合《設計手冊》，可以在布置加強筋長度時考慮：水平（豎向）加強筋長度為H/5。

圖4 池壁豎向彎矩分布

2.3不同高寬比時水池角隅處的受力分布

現假定敞口矩形水池的高度H和寬度B不變，通過改變水池長度L，在高寬比為2，2.5，3，3.5，4，4.5，5，5.5，6時，水池滿水工況下板中各點彎矩變化情況，現按規范常規設計，將敞口矩形水池的池壁簡化為三邊固定，一邊自由的板，如圖5，采用有限元算法計算分析A、B、C、D四點的彎矩變化，如圖6。

圖5 敞口水池計算模型

常規設計時，水平角隅區彎矩以及池壁根部角隅區彎矩根據規范進行計算，所采用規范為《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》（CECS 138：2002）（以下簡稱《規程》）及《給水排水工程構筑物結構設計規范》（GB50069-2002）。

圖6 板中四點彎矩隨高寬比改變的變化

角隅處水平彎矩：

根據《規程》6.1.3，當壁板厚度上下不變截面時，mc取-0.104，代入式（1），池壁根部彎矩：

有限元法計算時，A、B、C、D四點彎矩值與規范法彎矩值比值變化如圖7。由圖7中可以看出，對敞口水池，按規范進行計算，是安全可靠的，但水池角隅處，0～H/2高度范圍和0～H/2寬度范圍的彎矩均小于一半的規范設計值，從而可認為：水池角隅處的水平彎矩抵抗加強區域為從上口至H/2位置，配筋加密一倍；而在角隅處0～H/2寬度范圍內，豎向配筋可以減半。

圖7 板中四點的彎矩比值隨高寬比的變化

3 水池加腋工程調研論證

設計組成員對杭州市祥符水廠、南星水廠進行了調研，詳細觀察了水池角隅區微小裂縫的分布、以及各構筑物角隅的處理形式。通過觀察水池細微裂縫的分布來判斷構筑物的實際受力情況與常規設計的一致性。

通過調研發現，局部池體產生微小裂縫，池體豎向裂縫一般分布在角隅區至距角隅H/5之間，池體水平裂縫一般分布在距池壁根部H/5至池壁根部之間。調研成果與有限元模擬成果相吻合。另外，調研發現，受力筋足夠的情況下，水池角隅區不加設腋角并不會導致裂縫產生。圖8為杭州市各水廠構筑物角隅區的調研照片，從照片中看出，各敞口水池均未設置腋角，但從使用多年情況下來看，水池角隅區并沒有因未設置腋角而出現微小裂縫。

圖8 杭州市各水廠構筑物角隅區調研照片

4 結論

本文通過對鋼筋混凝土水池進行有限元模擬，并進行受力分析，計算出水池角隅區薄弱部分的范圍及分布情況。為達到節約投資的目的，對矩形敞口混凝土水池在結構設計中的優化處理，提出了角隅處加強區域的范圍，這是一種安全合理、造價經濟的結構設計新觀點。從上面的分析，可以得出如下結論：

（1）水池角隅區加腋處理增加成本，且費工時。角隅區配筋量足夠的情況下，加腋處理存在意義不大，可以取消。根據實際工程對比，水池角隅區加腋取消利大于弊。

（2） 在矩形敞口水池中，角隅處水平配筋加強區域為池壁上部的一半高度范圍，而在離角隅一半池高范圍內，豎向配筋可以減半。

（3） 在敞口水池中，水平及豎向加強筋長度均為H/5。

（4） 常規設計，也就是按規范進行計算，是安全可靠的；本文通過對矩形敞口水池角隅區有限元建模進行受力分布，使設計人員更加深入地了解角隅處的受力情況，準確的布置加強筋范圍，從而達到節約成本的目的。

1. 《給水排水工程結構設計手冊》編委會.給水排水結構設計手冊（第二版）[M]

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.01.029

TV31

B

1672-2469（2014）01-0090-04

吉喬偉（1984年—），男，工程師。