水池壁板開洞后整體性能研究

閆富杰， 張旭鵬

（1．鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450000；2．天津市市政工程設計研究院，天津 300392）

1 數值分析模型

水池模型采用線彈性理論計算，利用通用有限元軟件ANSYS，選取SHELL181 單元模擬水池壁板。SHELL181 為4 節點單元，每個節點6 個自由度，計入剪切變形，可以很好地模擬水池壁板面外彎曲行為。建立8 m×8 m×8 m（板厚0.4 m）矩形水池模型，洞口分別為1.0 m×1.0 m、1.6 m×1.6 m。對板進行區格劃分，例如8 m×8 m 的板對于1.0 m×1.0 m 洞口劃分10×10 區格，洞口可能發生在任何一個區格內，采用ANSYS循環計算的方式，對所有可能開洞的位置進行模擬計算。見表1。

表1 數值分析模型參數

水池底板一般較厚，所以選擇底端固定約束。荷載為水壓作用下的三角形荷載，見圖1。為便于數據分析，將開洞板命名為A，相鄰板命名為B。將A、B單獨提取出來進行結果分析。

圖1 水壓力荷載

2 彎矩位置編號

選取無蓋水池，池壁頂端為自由端，所以池壁配筋主要彎矩為池壁頂端水平向彎矩M1、M2、M3；池壁中間水平向彎矩M4、M8、M5；池壁中間豎直向彎矩M6、M7。對于板開洞位置，板的左右兩側對稱，將板一半區格進行編號。見圖2和圖3。

圖2 水池配筋主要彎矩

圖3 洞口編號

3 結果分析

3.1 開洞板彎矩

分別對1.0 m×1.0 m 洞口和1.6 m×1.6 m 洞口的32 個位置和15 個位置進行計算，提取影響配筋控制彎矩值最大的3 個洞口位置，見表2-表9。表2-表9中0表示無洞口，其余洞口位置與圖3對應。

表2 開洞位置對M1的影響

表3 開洞位置對M2的影響

表4 開洞位置對M3的影響

表5 開洞位置對M4的影響

表6 開洞位置對M5的影響

表7 開洞位置對M6的影響

表8 開洞位置對M7的影響

表9 開洞位置對M8的影響

由表2-表9可以看出，水池壁板開洞后對M2、M3、M5、M6、M7、M8均有明顯的影響，對M1、M4影響較小，可以忽略。由于分析的是對稱的一半壁板開洞位置，M1和M4距離洞口較遠，影響較小。

觀察對板主要彎矩值影響最大的洞口位置，可以發現，洞口周圍彎矩變化較大，當洞口出現在配筋控制彎矩附近時，洞口周圍會出現配筋控制彎矩值變化較大的情況。所以，需注意當按照板最大彎矩值配筋且洞口位于最大彎矩附近時的情況。見圖4-圖7。

圖4 板側邊橫向彎矩分布

圖5 板底板豎向彎矩分布

圖6 板中間橫向彎矩分布

圖7 板中間豎向彎矩分布

由圖4-圖7 可以看出：板側邊、板中間的彎矩值均出現洞口附近彎矩突變的情況，隨著距離洞口距離增大，彎矩值迅速恢復與未開洞板相當的水平，所以在洞口兩側附近設置加固鋼筋可以滿足受力要求。

但是當洞口出現在板底邊時，洞口兩側彎矩值與未開洞板相比變化較平緩，彎矩大于板跨中最大彎矩較多，此時僅在洞口附近設置加固鋼筋不能滿足受力要求，需要增大洞口加固鋼筋的布置范圍。見圖8。

圖8 1.0 m×1.0 m洞口在板底邊時板的豎向彎矩

結合圖8，在按照M7進行板下部豎向配筋時，洞口周圍彎矩＞M7的區域均需要加固。將洞口在板底邊各個位置時，板底邊豎向彎矩值超過未開洞板底M7的范圍標注出來，見圖9 和圖10。圖9 和圖10 中增長率為相對于未開洞板M7。

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圖9 1.0 m×1.0 m洞口板底板彎矩增大區域

由圖9和圖10可以看出：彎矩大于未開洞板底M7總是出現在跨中的位置；所以洞口加固鋼筋應該在跨中合理的布置；當洞口增大時，即使洞口距離板跨中位置較遠，板跨中彎矩也會增大，洞口周圍的彎矩并沒有超過跨中彎矩值，當按照跨中彎矩值進行板底部配筋時，洞口周圍理論上不需要布置加固鋼筋，僅在洞口角部布置鋼筋抵抗應力集中即可。

當洞口在板跨中，洞口到板第距離對M7的影響，見表10。

表10 板跨中洞口到板底距離對M7的影響

由表10 可以看出：洞口距離板底＜300 mm 時，板跨度1/3～2/3的范圍內，建議均勻布置豎向加固鋼筋。

3.2 相鄰板彎矩

在結構設計中，兩塊相鄰的池壁板厚度相差不大時，池壁兩端的約束按照固定約束計算。但是，當洞口出現在池壁邊緣或者距離池壁邊緣較近時，不僅影響開洞板的受力狀態，相鄰板由于洞口處的約束消失或者減弱，彎矩同樣會發生變化。規范規定的洞口加固鋼筋錨固長度僅考慮了洞口附近的受力［2］，沒有對于相鄰板的彎矩變化提出明確的應對措施。當洞口在池壁邊緣，進一步分析相鄰板邊緣的彎矩分布情況并調整洞口距離板邊緣的距離，得到洞口對相鄰池壁受力狀態影響可忽略的臨界距離。見圖11和圖12。

圖11 洞口對相鄰板受力影響編號

圖12 相鄰板側邊橫向彎矩

由圖11和圖12可以看出，洞口在板邊緣時，對相鄰板的彎矩有較大影響，相鄰板在洞口附近需要加固處理。洞口距離板邊緣的距離對于相鄰板的彎矩影響見表11。

表11 洞口距離板邊緣的距離對相鄰板M4的影響

由表11 可以看出，當洞口距離板邊緣較近時，對相鄰板側邊的彎矩分布影響較大，彎矩增長可達25%。傳統的洞口加固方式不能滿足相鄰板的彎矩變化，相鄰板在洞口區域需要設置負彎矩鋼筋。

從圖12 可以看出，與洞口平行的區域彎矩很小，與洞口相鄰的兩邊彎矩突然增大。所以，只需將洞口的橫向加固鋼筋延長，充當相鄰板的負彎矩鋼筋即可。文獻［1］規定“支座負彎矩鋼筋向跨內延伸的長度應根據負彎矩圖確定并滿足鋼筋錨固的要求”。

從圖12 和表11 可以得到，彎矩＞M4的區域僅在網格劃分最小寬度200 mm 范圍內，根據實際水池的尺寸，200 mm 網格尺寸是較為精確的。結合表11 的數據可以得出：當洞口距離板邊緣＜500 m時，洞口與板邊垂直方向的鋼筋需錨入相鄰池壁，錨固長度建議取

式中：Lab’為鋼筋錨入相鄰池壁的長度；Lab為規范規定的鋼筋錨固長度；b為相鄰池壁的厚度。

4 結論

1）板側邊、板中間均出現洞口附近彎矩突變的情況，隨著距離洞口距離增大，彎矩值迅速恢復到與未開洞板相當的水平，所以在洞口兩側附近設置加固鋼筋可以滿足受力要求。

2）當洞口出現在板底邊時，洞口兩側彎矩值與未開洞板相比變化較平緩，彎矩大于板跨中最大彎矩的區域較大，此時僅僅在洞口附近設置加固鋼筋不能滿足受力要求，需要增大洞口加固鋼筋的布置范圍。

3）當洞口出現在板底邊跨度1/3～2/3 處且距離板底邊＜300 mm 時，板底邊跨度1/3～2/3范圍內均可能出現彎矩大于設計值的情況，建議在板跨度1/3～2/3的范圍內，均勻布置豎向加固鋼筋。

4）當洞口距離板邊緣＜500 mm 時，建議洞口與板邊垂直方向的鋼筋需錨入相鄰池壁，錨固長度建議取Lab'=Lab+b+200。