1、第 3 9卷 第 1 1 期 2 0 1 2年 1 1月 建筑技术开发 Bui l di ng Te c hn i qu e De ve l o p me n t Vo 1 3 9, No 1 1 NO V 2 O1 2 矩 形钢 筋 混凝 土 地 下水 池 的结构设 计 王晓奇 向 晖 ( 1 中国核 电工 程有 限公 司 , 北京 1 0 0 8 4 0 ; 2 中建 三局 二 公 司 , 武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要 水 池是 污水处理工程 中常见 的用人工材料修建 、 具有防渗作 用 的水 处理设施 。结合大连热 力有 限公 司热 电 厂 的设计工作 , 对矩形钢筋混凝土水池
2、的结构设计进行 了论述 。 关键词 矩形钢筋混凝土水池 ; 荷 载分析 ; 强度计算 中图分类号 T U 3 1 8 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 2 ) 1 1 0 0 0 8 0 5 RECTANGULAR S TEEL REI NFoRCED CoNCRETE S TRUCTURE DES I GN oF UNDERGRoUND PooL W a n g Xi a o qi Xi a n g Hu i Ke y wo r d s Un de r g r o u nd t a n k i s wa s t e wa t e r t r e a t
3、 me nt e n g i n e e r i n g o f c o mmo n wi t h a r t i f i c i a l ma t e r i a l s a n t i s e e pa g e e f f e c t h a s b ui l t , o f t he wa t e r t r e a t me n t f a c i l i t i e s Co mb i n i n g wi t h t h e da l i a n t h e r ma l Co , LTD o f t he r ma l p o we r p l a n t ,t h e de s
4、 i g n wo r k, i n r e c t a ng ul a r s t r uc t ur e d e s i g n o f r e i n f o r c e d c o nc r e t e p o o l a r e di s c us s e d i n t h i s pa p e r r e c t a ng ul a r r e i n f o r c e d c o n c r e t e p o o l ; l o a d a n a l y s i s; s t r e n g t h c a l c u l a t i o n 水池是污水处理 工程 中常见
5、 的用人 工材料 修建 , 具有 防渗作 用 的水处 理设 施 。根 据其 地 形 和土质 条 件可 以修建 在地上或地下 , 即分 为敞开式 和封 闭式两 大类 ; 按形状 特点 又可 分 为圆形 和 矩形 两 种 ; 因建筑 材料 不同可分 为 : 砖 池 、 浆 砌石 池 、 钢筋 混凝 土 池等 。 因此 , 在实 际工程 的设 计 中 , 应 充 分对 所 设计 水池 的 环境及结构特点进行分析 , 本文结合大连热力有限公 司热 电厂生产废水调节 池的结构设计进行 论述 。 1 水 池结 构 的设计假 定 1 1 使 用材料 的假 定 在 水 工构 筑 物 的设计 工 程 中 , 应
6、首 先 确 定该 水 池 的结 构类 型 , 该 水 池 为地 下 敞 口矩形 水 池 , 因此 , 建议采 用钢 筋混凝 土材 料 。 根据 给排水 工程构筑物结构 设计规范( G B 5 0 0 6 9 -2 0 0 2 ) 第 3节 的 规定 : 3 0 1 贮 水 或水 处 理 构筑物 、 地 下 构 筑 物 的混 凝 土 强 度 等 级 不 应 低 于 C 2 5 ; 3 0 3 钢 筋混 凝 土构 筑 物 的抗 渗 , 宜 以混凝 土 本身 的密 实性满 足抗 渗要求 。构 筑物混 凝 土的抗渗 等级要求应按表 1采用 ; 3 0 6 最冷月平均气温低 于 一 3 的地区 , 外露
7、的钢筋混凝土构筑物的混凝土 应具有 良好 的抗 冻 性 能 , 并 应 满足 表 2的 要求 。混 收 稿 日期 : 2 0 1 2 0 81 5 作者简介: 王 晓奇 ( 1 9 8 1 一 ) , 湖南衡 阳人 , 毕业 于武汉科技 大学 , 本科 学历 , 工程师 , 现从事结构设计工作 。 8 凝土的抗冻等级应进行试验确定。 表 1 混凝 土抗渗等级的规定 最大作用水 头与混凝土壁 、 板厚度之比值 i 抗渗等级 S 1 0 P 6 l 0 2 0 P 8 2 03 0 Pl O 表 2混凝土抗冻等级 F 。 的规定 地表水取水头部 其他 冻融循环总次数 地 表 取水 头 部 气候条件
8、 的水 位 涨落 区以 上部 位 及外 露 的 1 O O l O 0 水池等 最冷月平均 F 3 O 0 F 2 5 0 F 2 O O 气 温低于 一1 0 最冷月平均气温 F 2 5 0 F 2 O 0 Fl 5 0 在 一3 一 一l 0 注 : 1 混凝土抗 冻等级 系指龄期为 2 8 d的混凝土试件 , 在进行 相应要求冻融 循环 总 次数 i 次 作 用后 , 其 强度 降低 不大 于 2 5 , 重量 , 损失不超过 5 ; 2 气温应根据连续 5年以上的实测 资料 , 统计其平均值确定 ; 3 冻融循环总次数系指一 年内气温从 +3 o C以上降 至 一3 C以 下 , 然后
9、 回升至 +3 o C以上 的交替 次数; 对于地表水取水头 部, 尚应考虑一年中月平均气 温低于 一3 期间 , 因水位涨落而产 生的冻融 I 交替次数 , 此时水位每涨落一次应按一次冻融计算。 第 3 9卷 王晓奇, 等 : 矩 形钢 筋混凝土地下水池的结构设计 第 1 1 期 该 调节 池采 用 C 3 0防水 混 凝 土 , 抗 渗 等级 P 6 , 抗 冻 等级 F 2 0 0 ; 钢 筋采用 H P B 3 0 0及 HR B 4 0 0 。 1 2计算 尺 寸假 定 该 调节 池 池外地 面距 池 底 4 0 0 0 I n m, 调节 池 尺 寸 5 8 0 0 m m 2 0
10、 0 0 0 m m 3 0 0 0 m m( 长 宽 高 ) 。结合 设计 经验 , 暂定 池壁厚 度 4 0 0 m m, 底板 厚 度 5 0 0 m m。参 见 图 1 。 蚤 : l 2 0 0 2 0 0 耋 : 2 s o k I 如 。 z 。 o 2 0 I 1 -40 0 0 赛 ; 耋 1 l l 弱 一 一一一一 l l 一 250, 25o 。 : 0 r 6 3 0 0 64 5 0 7 2 5 0 2 00 0 0 72 5 2 00 0 0 2 5 C 1 h 1 J 2 Q ! : 0 I 3 u 7 0 0 ) u 0 2 0 : l i 8l 5 0 T
11、I一 lI J 0 0 1 5 01 0 7 50l:l 一一 L : 。 ;菱 臼 I , 0 1 1 21 一 j 日j I_ _ 、 V h = 2 5 0 。 。 。 一 : 0 I L 0 主;0 。 , I l 2 2 O 02 0o +i 1 1 10 o0 : : ! 一 : : i 0 o 斗 I : 0 0 ! 。 j 营 2 0 I: 1 9 1 1 1 1 n 3 3 2 0 3 3 20 3 3 203 3 2 0 33 70 顶板模 板 图 1 调节池 底板模板 、 顶板模板剖面 依据 给排水工程钢筋混凝土水池结构设计规 程 中5 1 8的有关规定 1 ) 矩形 水
12、 池 池 壁 的 水 平 向计 算 长 度 应 按 两 端 池壁 的 中线距 离计算 。 2 ) 圆形水池池壁 的计算半径 , 应为 中心至池壁 中线 的距 离 。 9 第 1 1 期 王晓奇, 等 : 矩形钢 筋混凝土地下水池的结构设计 第 3 9卷 3 ) 池壁竖向的计算 高度应根据节点构造 和结 构计算简图确定: 池壁与顶、 底板整体连接时, 计 算 应按 整体分 析 。池 壁 上下 端 为 弹性 固定 时 , 池 壁 竖 向计算高度应为顶、 底板截面的中线距离 ; 池壁上 端 为弹性 固定 , 下端 为 固定 时 , 池 壁竖 向计算 高度 为 净高加顶板厚度的一半。池壁与底板整体连接
13、 , 顶 板简 支于池 壁顶 部 或二 者 铰 接 , 池壁 与底 板 为 弹 性 固定 时 , 池 壁 竖 向计 算 高 度 应 为 净 高 加 底 板 厚 度 的一半 ; 池 壁 下 端 固 定 、 上 端 简 支 时 , 池 壁 竖 向 计算高度应为净高加顶板厚度的一半。 池壁为 组合壳时 , 池壁竖 向计 算高度 的一端应 计算 至组 合壳 中线 的连 接 处 。本 工程 的池 壁 计 算 高 度 按 确定 。 池壁竖向计算高度按池壁下端为 固定, 上端 为 简支时 , 池壁 竖 向计 算 高度 为 净 高加 顶 板 厚 度 的 一 半 。 有如下计算尺寸 : 池壁一 : 3 1 2
14、5 m m 2 0 0 0 0 m m; 池 壁二 : 3 1 2 5 mm 5 8 0 0 mm 底板 : 5 8 5 0 mm5 4 0 0 mm 5 9 5 0 mm 5 4 0 0 mm 6 8 0 0 mm 5 4 0 0 mm 2水池 结构 设计 2 1 荷 载分析 1 ) 分析池壁所受荷载为 : 池液体产生的水平 压力 ( 为三 角 形 荷 载 , 与 池 液体 高 度 有 关 ) ; 池 外 填 土产 生 的水 平 压力 ( 三 角 形 荷 载 , 与 池 外 填 土 高 度 有关 ) ; 地 面堆 积 荷 载 产 生 的 侧 向 压 力 ( 均 布 荷 载 ) 。 根据工艺条
15、件确定荷载组合为 : + ; 地 面活荷 载1 0 k N m 土侧 压力 : q =2 01 0 5=1 0 k N m ( 上端 ) q = 2 0 4 0 5= 4 0 k N m ( 下端 ) 2 ) 分析 池底所 受 的荷 载 为地 基 反 力 , 一 般按 均 布考 虑 , 由池壁传 下 的全部竖 向荷 载产 生 。 2 2 内力分析 根 据 给 排 水 工 程 钢 筋 混 凝 土 水 池 结 构 设 计 规 程 表 6 1 2规定 , 该 调 节 池 壁 及 底 板 均 为 双 向 受 力结 构 , 内力 计 算 可 利 用 双 向板 计 算 图 表 进 行 计 算 。 2 3强
16、度计 算 1 ) 池壁 : 池壁 的计算应统一进行 , 对 于竖 向钢 筋的计算 , 应 明确竖向受力型式为偏心受压构件 , 即 同时 受到弯 矩及 结构 自重 的影 响 , 为安全 起见 , 以受 弯构 件计算 ; 对 于水 平 向钢筋 的计 算 , 应 明确 , 由 于 池壁 间 的固结作 用而 产生 的边缘 反力也 对池 壁产 生 1 0 影 响 , 因此 , 水平 向受力 型式 为 偏 心 受拉 构 件 , 即 同 时受 到弯矩 及边 缘反 力 的影 响 。荷载 简 图见 图 2 。 图 2衙 载 简 图 下 面是对 池壁 二进 行 的强 度计 算 。 混凝 土强 度等 级 : C 3
17、 0 钢筋级别 : HR B 4 0 0 计 算方 法 : 弹性方 法 泊松 比 : 0 2 边界条 件 : 上边 简支 ; 下边 固端 ; 左 边 固端 ; 右边 固端 角柱 : 左上 : 无右上 : 无左下 : 无右下 : 无 板长 : L= 5 8 0 r n , 板 宽 : B=3 1 3 m; 板 厚 : h= 4 0 0 mm 钢筋 保护 层厚度 : C = 3 5 mm 均 布恒 荷 载标 准 值 : 1 O 0 0 k N m 均 布 活 荷 载标 准值 : 5 k N m 混凝 土 密 度 : 2 5 0 0 k N m 三 角 形 恒 荷 载 标 准值 : 3 0 0 0
18、k N m 计 算 时荷载设 计值 均布荷 载设 计值 ( 包含 自重 ) : 1 2( 1 0 0 0+2 5 0 04 0 0 1 0 0 0 )+ 0 71 4 1 0 0 5:2 8 9 k N m 三 角形荷 载设计 值 : 1 2 3 0 0 0= 3 6 0 0 k N m 计算 公式 = ( h 。 一 号 ) O b x =f r A h 0 = h C一 5 =m a x( 0 2 , 0 I 4 5 争 ) =m a x( 0 2 , 0 4 5 1 4 3 ) = 0 2 0 配筋 计算 结果 ( 表 3 ) 。 2 ) 底 板 : 底板 为完 全 的受 弯 构 件 ,
19、 在这 里 , 我们 应注 意在计算 地基 反 力 的过程 中 , 不应 把 池 液 体 的 自重 加入计 算 。 第 3 9卷 王晓奇 , 等 : 矩形钢 筋混凝 土地 下水池的结构设 计 第 1 1 期 表 3配筋计算 结果 向跨中 Y向跨 中 上边缘 下边缘 左边缘 右边缘 计算 内力 2 7 71 2 2 8 5 O 0 0 3 9 6 8 4 6 7 7 4 6 7 7 ( k N m m) 计算 面积 8 0 0 8 0 0 8 0 0 8 0 0 8 0 0 8 0 0 mm 直径 ra m 1 2 1 2 1 2 l 2 l 2 l 2 间距 ra m 1 4 0 1 4 0
20、1 4 0 1 4 0 1 4 0 1 4 0 实 配 面积 8 0 8 8 0 8 8 0 8 8 0 8 8 0 8 8 0 8 m m 实 际配筋率 0 2 0 0 2 0 0 2 O 0 2 0 0 2 0 0 2 0 裂 缝 宽 度 0 0 3 0 0 0 2 5 O 0 0 0 0 0 4 3 0 0 5 1 0 0 51 2 4 裂缝验 算 根据 给排水工程构筑物结构设 计规范( G B 5 0 0 6 9 -2 0 0 2 ) 中 5 3 4条 规 定 , 钢 筋 混 凝 土 水 池 结 构 构件 的最 大 裂 缝 宽 度 不 应 大 于 下 列 规 定 的 限 值 :清 水池
21、 、 给 水 水 质 净 化 处 理 构 筑 0 2 5 m m; 污 水处 理构 筑 物 0 2 0 m m。 如果裂缝验算不通过 , 我们可以通过对池壁 、 底 板 的厚 度进 行调 整 , 或者增 加 构件截 面 的钢筋 面 积 , 目的是使 裂 缝验算 符 合要 求 。 下 面是 对池 壁二 进行 的裂 缝验算 设计依据: 混凝土结 构设计规范( 以下 简称 规 范 ) 构件 类 型 : 受 弯构 件 构件 受 力 特 征 系 数 : =2 1( 根 据 规 范 表 8 1 21 ) 截 面尺 寸 : 矩形 截 面 ( 见 图 3 ) , 尺寸 为 : L 一 l I 图 3矩形截 面
22、 bh=1 0 0 0 mm 40 0 mm : 带 肋 钢筋 的相 对粘 结特 性 系数 : =1 0 ( 根据 规 范表 8 1 2 2 ) 受 拉 区纵筋 根数 、 直 径 : l O B 1 2 受 拉 区纵筋 实 配面积 : A 。 =1 1 3 0 9 7 m m 混凝 土保护 层厚 度 : c =3 5 0 mm 纵向受拉钢筋合力点至截面近边距离 : 口 。 =c + 0 5 1 2=41 mm 纵 向受 压钢 筋合 力点 至截 面近边 距 离 : a =口 =41 mm 有 效高 度 : h 。 =h一0 = 4 0 0 4 1= 3 5 9 0 m m 混凝 土 : C 3
23、0 = 2 0 1 N m m 主筋 : H R B 3 3 5 ( 2 0 Mn S i ) E =2 0 1 0 5 Nmm 按 荷 载 效 应 标 准 组 合 计 算 的 弯 矩 值 : M = 5 2 5 0 k N 1 T I 计 算结 果 1 ) 纵 向受拉 钢筋 配筋率 P 。 有 效受 拉混凝 土 截面 面积A = 0 5 b h= 0 5 1 0 0 0 4 0 0 :2 0 0 0 0 0 mm 按 规范 公式 ( 8 1 24 ) , 按 有 效 受拉 混 凝 土截 面 面积计 算 , 纵 向钢筋 配筋 率 P : : :0 0 0 5 6 5 50 01 A e 2 0
24、 0 0 0 0 、 按规 范第 8 1 2条 中有 关 P 。 的规 定 , 当 P 。 0 0 1时 , 取 P 。 = 0 0 1 2 ) 等效应 力 按 荷载 效 应 的标 准 组 合计 算 , 受 弯构 件 纵 向受 拉 钢筋 的应 力 k 5 2 5 0 0 0 0 0 丽 =1 48 6 3 Nmm 3 ) 裂 缝 间纵 向受 拉 钢筋应 变不 均匀 系数 : 按规 范公 式 ( 8 1 22 ) , 得 裂 缝 间纵 向受拉 钢 筋应 变不 均匀 系数 : : 1 10 6 5 f t k Pt = 一 0 6 5 石 _ 石 T 石 =0 2 2 0 9 4 ) 受拉 区纵
25、向钢 筋等效 直径 d 。 按 规 范 公 1 2 _3) = : 0 0 mm 5 ) 最大 裂缝 宽度 : 按规范公式( 8 1 21 ) , 得构件最大裂缝宽度 : ( J ) ma x t r sk 1 9 c +0 。8 d e q ) = 21 0 2 2 0 9 ( 1 9 3 5 0 + 0 0 8 ) = 0 0 5 6 0 mm ( 下转第 1 4页) 十 _ 第 1 1 期 张志强 : 钢 筋混凝土矩形 筒仓设计 简析 第 3 9卷 1 0 I n m, 柱箍筋 的弯钩尺寸不小 于 1 0倍 的钢筋直 径 , 弯 钩角 度 为 1 3 5 。 。在 地 震 力 的往 复作
26、 用 下 , 受 力变化 较为 复杂 , 筒 壁 应 配置 双 层 钢筋 , 其 水 平 、 竖 向钢筋 总 的最小配 筋率 均不小 于全截 面 的 0 4 。 5 结语 随着 煤 炭工 业 的发 展 , 筒仓 在 各 煤矿 亦 是必 不 可少 , 筒仓结 构特 殊 , 受 力 复杂 , 所 以理 解 和掌 握 筒 仓 设计 的要 点 , 并 合理运 用于 实 际工程 , 有 利于 提高 筒仓设 计 的科学 性 和 经 济性 。 同时 , 还 必须 重 视 筒 仓 的构 造 , 以全 面提 高 筒 仓设 计 的质 量 。总结 已有 的设 计经 验 , 对 于 提 高设 计 技 术水 平 , 预
27、 防 事 故 、 降 低 工程造 价 十分必要 。 参 考 文 献 1 中国煤炭建设协会 钢筋 混凝 土筒仓设计 规范 s ( G B 5 O 0 7 7 2 0 0 3) 2 中华人 民共和国建设部 混凝土结构设计 规范 s ( G B 5 O O l 0 2 0 1 0) 3 中华人 民共 和国建设 部 建筑抗 震设 计规 范 s ( G B 5 0 O 7 7 2 0 1 0 ) 4 朱彦鹏 特种结构 M 武汉 : 武汉工业大学 出版社 ( 上 接 第 1 1页 ) 2 5 其他 构造要 求 我们还 应 该 注 意 水 池 设 计 的 构 造 要 求 , 例 如 给排水工 程构筑物 结构
28、设计 规范( G B 5 0 0 6 9 2 0 0 2 ) 中第 6小节 中和 给排水 工程钢筋混凝 土水 池结构设计规程中第 7小节的规定 : 钢筋 的混凝 土保 护层最 小厚 度要 求 、 腋 角 的设 置及 配 筋 伸缩 缝 的设置与构造 、 加强钢筋的设置等。 3 小结 1 ) 水 池 的 设 计 与 地 下 水 位 的标 高 密 切 相 关 。 由于地下 水位 未掌握 好而 引起结 构选 型错误 及抗 浮 不够 等工 程 事 故 时有 发 生 。根 据 现 行 国家 设 计 规 范 , 地下水 位应 根据地 方水 文资 料 , 考虑 可能 出现 的 最 高地下 水位 。一般 设计
29、均取 用水文 资料 的最高 地 下水 位 。在 5 0年设计 基准期 内 , 一般水 工构筑 物地 下水 可 变作用 的取 用按 “ 工程 结 构可 靠 度设 计 统 一 标 准 ” 原 则 确 定 , 不 考虑 罕遇 洪 水 的偶 然 作 用 。 但 值 得注 意 的是 , 有 些工 程 地 质勘 察 报 告所 提 供 的 地 下 水位 未能从 地方 水 文 资料 分 析 得 出 , 而仅 反 映 勘 测期 间的地 下水位 情况 。如果 详勘在 当地枯 水期 进 行 。 所 提供 的地下水 位标 高将无 法被设 计 取用 , 或 导 致结 构计算 的失误 。所 以设计 人员 应详 细 了解
30、当地 的水 文情况 , 对未 满 足设 计 要 求 的地 质 勘察 报 告 要 求予 以补充 。是 否会 出现 由于地表 水不 能及 时排 除 而引 起地下 水位 提 高 , 土建 设 计 人员 应 结 合对 地 下 水位 和地质 情况 的 了解 , 与水 工 艺设 计 人 员一 起 决 定水 池 的基 底标 高 , 综 合 工 艺流 程 要 求 、 土建 造 价 、 运 营成本 等诸 多 因素 , 制定 出方 案 。 2 ) 水池 类构 筑物 并非 必 须保 证 不 开 裂 , 对 设 计 人员 来讲 重要 的是做好 裂缝 的控 制 。一 方面设 计人 员要 事先 对可 能 的不 利 因素
31、及 其影 响予 以预 防 , 另 1 4 一 方面在 施工 过程 中万一 发生 较大裂 缝要有 相 应的 处 理方法 及技 术措 施 , 确 保 工 程交 付 验 收 及投 产 后 的安全生 产及 运行 需 要 。一 般 说 来 , 影 响 裂缝 的主 要 因素是 温差 及混凝 土 的收缩 , 温度 越高越 易 开裂 , 裂缝 的数 量及 宽度 也越 大 ; 混凝 土 收缩越 大 , 裂 缝 的 数 量及 宽度也 越 大 。 因此 , 设 计 人 员 要从 设 计 与 施 工两个方 面来 加 强 控制 。设 计 方 面 , 增 加 配筋 率 或 减小钢 筋直 径能增 加 混 凝 土 的极 限拉
32、 伸 , 因 此在 结 构 设计 时 , 在 节点 应力 集 中处 或 大体 积 混 凝 土 中沿 截面均 匀配 置细 、 密 的构 造钢 筋或钢 筋 网片 , 可 提高 构件 的抗裂 能力 。施 工 方 面 , 不 要过 分 强 调 加快 工 程进度 , 不要 过分 追求水 泥 的早高强 , 尤其 不要 不分 场合地 使用 早 强 型 ( R型 ) 水 泥 。在 混 凝 土 中考 虑 掺加 缓凝剂 和减水 剂 , 降低水 灰 比 , 适 当增加 粉煤灰 的用量 , 减 少水泥 用量 。混凝 土振 实成 型后 , 要 尽早 表面 覆盖 , 加强养 护 , 延 长 浇水 养护 时 间 , 特 别
33、 是 夏 季和 大风 天气 。 3 ) 矩形 水 池 是 污 水 处 理 工 程 中常 见 的水 处 理 设施 , 它 的计算 也是水 工结 构 中最 基础 的计算 , 因此 对 它的掌握 至关 重 要 。我 们 一 定要 计 算 准 确 无误 , 确保 水池 的正 常使 用 。但 是 在 设计 过 程 中 , 有 些设 计 人员 为设计 安全 的 目的 , 常 常人为 加大池 壁 、 底 板 的厚 度 , 或加大 构件截 面钢 筋 面积 , 造 成不必 要 的浪 费 。所 以 , 我们 在设 计 工 作 中要 一 方 面 确保 设 计 的 水 工构筑 物 的安全 性 , 另 一方 面要节 约材料 , 做 到实 用 、 经济 的双赢 。 参 考 文 献 1 给排水工程构筑物结构设计规范 , G B 5 0 0 6 9 -2 0 0 2 2 混凝土结构设计规范 , G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0