某鋼筋混凝土變壁厚水池有限元分析與設計

劉 娜

(中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇南京 210019)

隨著城市化的迅速發展，人口迅速擴張，環境污染日益嚴重，城市污水處理越來越重要，因而大型鋼筋混凝土污水處理水池項目就日益增多。由于體型較大且隨著混凝土等級的提高，大型鋼筋混凝土水池出現裂縫的幾率也大大增加。本文將用有限元計算軟件MIDAS/GEN對某鋼筋混凝土矩形水池進行有限元結構分析，研究其在不同外力條件下的內力及裂縫情況，為工程提供合理的配筋設計。

1 水池彎矩及裂縫計算公式

鋼筋混凝土水池在外部土壓力、內力水壓力及溫度作用下，很容易產生裂縫，也是鋼筋混凝土水池設計和施工中最應該注意的地方。一般情況下，水池產生裂縫主要有以下幾個方面的原因:1)荷載作用造成的裂縫;2)混凝土收縮和溫(濕)差變形造成的裂縫;3)材料質量不良造成的裂縫;4)構造措施不良造成的裂縫。

根據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》的裂縫寬度計算公式:

ωmax=1.8φ(σsq/Es)(1.5c+0.11d/ρte)(1+ α1)v［2］(其中各符號意義詳見相關規程)。

水池設計一般先建立有限元模型，進行內力(包括彎矩和拉壓力)計算，初步確定水池池壁和底板配筋，然后以此配筋結果推算出裂縫，一般污水處理池最大裂縫寬度應控制在0.2 mm［2］。一般的小型水池結構，采用等壁厚受力形式，設計及內力計算方便，但是對于中型或者大型水池，尤其是池體較深時，出于經濟考慮，經常采用變壁厚形式。

2 工程概況

2.1 工程概況

擬建工程為江蘇省常州市某軋鋼廠一次鐵皮沉淀池，工程抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.05g;建筑場地類別為Ⅳ類;建筑重要性等級為二級;抗震設防類別為丙類。池體平面為矩形，長30.0 m，寬為10.0 m，底板埋深6.0 m，底板厚0.8 m，底板外挑0.8 m。側壁為變截面，壁厚為0.4 m～0.8 m漸變。池內最大水深為6.0 m，池外地下水位為－2.0 m。其平面及剖面布置圖如圖1，圖2所示。

圖1 水池平面布置圖

2.2 水池建模及有限元分析

添加材料C30;厚度;建立軸網，分布建立變壁厚矩形水池實體模型，然后劃分網格(本模型比較規整，因此網格單元尺寸取1.0 m)，添加荷載(包括自重、外部土壓力荷載、池內土壓力荷載、底板水壓力荷載及溫度梯度)，添加底部約束，水池底板用面彈性支承來考慮土體的作用，地基彈性模量:25 000 kN/m3，彈性連接長度:1.0 m。最后對模型進行有限元分析，得到結構內力和變形。查看池壁及池底內力，按受彎構件計算配筋面積As，按照相應公式驗算裂縫。

該水池有限元模型中應有以下幾種荷載組合:

1)glcb1=1.2×自重 +1.27×池內水壓力。

2)glcb2=1.2×自重+1.27×池外水土壓力。

3)glcb4=1.2×自重 +1.27×池內水壓力 +0.91溫度。

4)glcb5=1.2×自重 +1.27×池外水土壓力 +0.91溫度。

程序在計算溫度梯度時，未考慮混凝土板開裂后的影響，故溫度荷載組合時將溫度梯度荷載的組合系數乘以0.65，即1.4×0.65=0.91。

MIDAS/GEN中通過對該沉淀池的有限元靜力分析，得到水池池壁及底板的彎矩值和軸力值(見圖3～圖5)。得到內力后，按規范進行水池池壁及底板的配筋設計。水池豎向彎矩應按受彎構件計算;水池水平向彎矩和水平拉力一般按偏心受拉構件計算;池底按受彎構件或偏心受拉構件計算。

圖3 池壁軸力圖（Fxx/kN）

圖4 池壁彎矩圖（Myy/kN·m）

本例中最不利荷載組合方式為組合3)，得出池壁最大彎矩設計值Myy=380 kN·m，標準值Myyk=308 kN·m。按受彎構件并滿足ωmax=0.20 mm，查《鋼筋混凝土水池設計手冊》得池壁內外配筋D20@200，底部3 m范圍內附加D20@200，即配筋為D20@100。水池底板最大彎矩設計值Myy=380 kN·m，標準值Myyk=320 kN·m，最大拉力設計值Fxx=260 kN，標準值Fxx=205 kN，按偏心受拉構件并滿足ωmax=0.20 mm，查得底板上下配筋D20@200，池壁根部3 m范圍內附加D20@200，即配筋為D20@100。池壁環向最大拉力設計值Fyy=398 kN，標準值Fyyk=320 kN，環向最大彎矩設計值Mxx=480 kN·m，標準值Mxxk=419 kN·m，按偏心受拉構件滿足ωmax=0.20 mm，查得池底向上3 m范圍內環向內外配筋D18@150，轉角角隅處3 m范圍內附加D18@150，即配筋為D18@75;池底向上3 m～6 m范圍內環向內外配筋D16@150，轉角處3 m范圍內附加D16@150，即配筋為D16@75;池底向上6 m～池頂范圍內環向內外配筋D14@150，在轉角處3 m范圍內附加D14@150，即配筋為D14@75。

圖5 池底彎矩圖（Myy/kN·m）

運用有限元軟件，可以全面地了解水池整體受力情況，很直觀，精確地給出結構設計所需要的內力值。尤其對變壁厚水池進行有限元分析，結構模型更合理，計算更精確，尤其是在溫度變化較大的情況，有限元軟件分析更接近工程實際。因此，水池的有限元分析能夠在確保安全的前提下，為工程設計提供更合理更經濟的方案。

3 結論與建議

本文通過對變壁厚鋼筋混凝土水池有限元分析，無論是對結構形式還是荷載及約束的模擬都較普通線性計算更為準確細致。因此，該方法計算出的內力及配筋結果比傳統簡化計算方法更為真實可靠，應該在實際工程設計中得到廣泛應用。同時，也應該注意到，水池裂縫產生的因素有很多種，本文中有限元計算并沒有辦法考慮所有可能造成水池裂縫因素如施工過程中的影響。因此，在對水池的設計中，在利用有限元分析軟件的同時也應當同時考慮施工經驗，盡可能多地考慮到裂縫可能產生的因素，并積極采取減少裂縫產生的措施，例如，采用較細直徑鋼筋或更高強度的混凝土以及重視施工過程中的養護等。

［1］CECS 138∶2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程［S］.

［2］鋼筋混凝土水池設計計算手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［3］MIDAS/GEN(Structural Engineering System)［Z］.北京:北京邁達斯技術有限公司，2009.