換流站生產、消防水池結構設計探討

王義鵬+閆勇

摘 要：文章借助SAP2000結構分析軟件，從多種荷載工況中選取四種荷載工況，對某換流站工程的生產、消防水池的側壁進行了結構計算分析。通過對四種荷載工況計算結果的分析，作者認為：（1）生產、消防水池結構計算的控制工況為閉水試驗工況；（2）由于生產、消防水池結構的特殊性，其受力較為復雜，在普通地下蓄水池結構設計中經常使用的國標圖集05S804《矩形鋼筋混凝土蓄水池》對其不具有針對性，不能盲目套用。文章通過對生產消防水池側壁結構受力特點的分析，提出其結構設計的有關注意事項，為后續工程的設計提供參考。

關鍵詞：換流站；生產、消防水池；結構設計；SAP2000

中圖分類號：TU991.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0109-03

引言

由于換流站的閥冷卻用水量較大，為了提高生產給水的可靠性，保障換流站的運行安全，換流站內通常會設置生產、消防水池，以用來貯存自來水或經處理后達標后的地下水。在僅有一處站外可靠水源的情況下，生產、消防水池必須保證貯有三天的用水量（大約3000m3至5500m3，其中消防用水400m3）。

換流站生產、消防水池通常與綜合水泵房在平面上呈組合式平行布置（如圖1），在豎直方向呈半地下式布置（如圖2），水池內部存在較多隔墻，形成各自獨立的隔斷水池，且形狀十分不規則，從而導致其結構受力較為復雜。

同時，由于換流站征地和創優等因素，全站建（構）筑物的平面布置較為緊湊，因此，在水池容積一定時，為了減小水池的占地面積，只能增大池內水深及水池側壁高度，進而對水池側壁的受力性能提出了更高的要求。

目前，在水池結構設計中國標圖集05S804《矩形鋼筋混凝土蓄水池》被廣泛應用，但該圖集僅適用于全地下式結構且容積不大于2000m3的單格蓄水池。對于換流站中結構形式復雜的生產、消防水池的結構設計不具有針對性，且相關的文章并不多見。本文借助某換流站工程中生產、消防水池的結構設計實例，分析該水池側壁的受力特點，旨在提出生產、消防水池結構設計時的注意事項，為以后結構設計提供參考。

1 某換流站工程生產、消防水池簡介

某換流站工程生產、消防水池（如圖1和圖2）容量5800m3，整個水池被劃分為3部分：兩個貯水池（底板頂標高-2.500米，最大水深約7.2米），一個吸水坑（底板頂標高-4.000米，最大水深約8.7米）。三部分獨立存在，即各部分是否貯水互不影響。

2 生產、消防水池結構受力分析

2.1 水池結構計算荷載工況

根據《給排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》[2]，結合本文所研究的生產、消防水池的結構特點，計算荷載工況的選取見表1。

由于生產、消防水池結構的特殊性，水池三部分的貯水情況相互獨立，因此在進行結構的正常使用工況計算時需要考慮水池各部分貯水情況的組合，如表2。由于水池A和水池B具有相似性，本文選擇下列4種計算工況：（1）工況一：閉水試驗，吸水坑和水池A，B均滿水；（2）工況二：使用時水池B滿水，吸水坑和水池A無水；（3）工況三：使用時吸水坑和水池A，B均滿水。（4）工況四：使用時池內無水。

2.2 水池結構計算

由于該水池結構型式復雜，作者利用SAP2000有限元結構分析軟件對生產、消防水池進行三維建模計算，如圖3。

2.2.1 工況一（閉水試驗：吸水坑和水池A，B均滿水）

該工況下水池內部隔墻在水壓力作用下受力平衡，故只需討論外墻受力情況。

從圖4外壁豎向彎矩云圖可以看出，工況一下，外壁底部的應力集中比較明顯，其中泵房側外壁受力最為不利，底部最大彎矩值為507.9kN-m/m，豎向中部最大彎矩為312kN-m/m。

從圖5外壁水平彎矩云圖可以看出，外壁轉角處的應力集中比較明顯，支座負彎矩最大值出現在吸水坑泵房側的外壁邊緣處，其彎矩值為342.5kN-m/m，水平中部最大彎矩也出現在吸水坑泵房側的外壁處，其最大值為105.8kN-m/m。

2.2.2 工況二（使用時水池B滿水，吸水坑和水池A無水）

從圖6水池B側壁豎向彎矩云圖可以看出，水池側壁底部均有較大的應力集中，其中，豎向底部最大負彎矩出現在中間隔墻底部，為348kN-m/m。豎向中部最大彎矩出現在外墻中部，為241kN-m/m。

從圖7水池B側壁水平彎矩云圖可以看出，外壁轉角處的應力集中比較明顯，最大值為292kN-m/m。水平向中部最大彎矩為82kN-m/m。

2.2.3 工況三（使用時吸水坑和水池A，B均滿水）

該工況下水池內部隔墻在水壓力作用下受力平衡，故只需討論外墻受力情況。

從圖8工況三下外壁豎向彎矩云圖可以看出，本工況的計算結果與工況一的大致相同，邊緣豎向最大彎矩和中部豎向最大彎矩均位于吸水坑泵房側的外墻上，豎向底部最大彎矩為456.7kN-m/m，豎向中部最大彎矩為309kN-m/m。

從圖9工況三下外壁水平彎矩云圖可以看出，本工況的計算結果與工況一的大致相同，邊緣水平最大彎矩位于吸水坑泵房側的邊緣處，為253kN-m/m，水平中部最大彎矩為102.2kN-m/m。

2.2.4 工況四（使用時池內無水）

該工況下水池內部無水壓力作用，故只需討論外墻受力情況。

從圖10工況四下外壁豎向彎矩云圖可以看出，由于水池內無水，所有荷載作用于水池的外表面，水池外壁豎向彎矩呈上下兩頭大，中間小的規律，最大值為65kN-m/m。

從圖11工況四下外壁水平彎矩云圖可以看出，雖然有應力集中現場，但數值上并不明顯，最大值僅為36kN-m/m。

2.2.5 四種工況對比分析

通過對比四種工況作用下，側壁彎矩的最大值及其所在位置，可以發現：（1）各個工況水池壁的豎向彎矩均在池壁底部有明顯的應力集中現象。其中，工況一吸水坑泵房側的池壁底部應力集中的現象尤為明顯，其彎矩值高達507.9kN-m/m；同時，其中部的豎向彎矩也相對于其他工況和其他部位也最大，彎矩值達312kN-m/m。（2）各個工況水池壁的水平彎矩均在池壁轉角處有明顯的應力集中現象，其中工況一吸水坑泵房側池壁邊緣處尤為明顯，邊緣最大彎矩值為342kN-m/m。

3 結束語

（1）由于換流站內生產、消防水池的吸水坑通常比水池深，且與綜合水泵房共側壁，該側壁在水泵房內無側向支撐，因此在吸水坑滿水狀態時，該側壁受力最為不利，從計算結果也可以看出，該側壁底部彎矩遠遠大于其他部位。

（2）在閉水試驗工況中，水池側壁底部彎矩和邊緣水平彎矩遠大于同側的跨中彎矩。因此，作者建議在側壁配筋計算時，對于邊緣負彎矩較大的部位，應考慮多設置附加鋼筋，減少通長鋼筋的設置。

（3）根據計算結果可以看出，生產、消防水池側壁的控制工況為閉水試驗工況；而國標圖集05S804《矩形鋼筋混凝土蓄水池》的控制工況則是“運行時池內無水”工況。因此，該圖集對于生產、消防水池的結構設計不具有針對性，不能盲目套用。

（4）對于吸水坑滿水水深較大的生產、消防水池，筆者建議工藝專業應考慮將水池的中間隔墻延伸并貫通吸水坑，以降低吸水坑側壁底部局部過大的彎矩。

參考文獻：

[1]中國建筑標準設計研究院.國家建筑標準設計圖集.矩形鋼筋混凝土蓄水池.05S804[S].中國：中國計劃出版社，2007，2.

[2]北京市市政工程設計研究總院.給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程[S].北京，2002.

[3]陳載賦.鋼筋混凝土建筑結構與特種結構手冊[M].四川：四川科學技術出版社，1991，12.

[4]北京金土木軟件技術有限公司.中國建筑標準設計研究院.SAP2000中文版使用指南[M].北京：人民交通出版社，2012，1.endprint