带盖矩形水池池壁竖向弯矩计算探讨.pdf

年 月第 卷第 期?年 月第 卷第 期中 文 引 用 格 式：王 跃 磊，张 宁带 盖 矩 形 水 池 池 壁 竖 向 弯 矩 计 算 探 讨 特 种 结 构，（）：英 文 引 用 格 式：，（）：带 盖 矩 形 水 池 池 壁 竖 向 弯 矩 计 算 探 讨王 跃 磊张 宁天 津 市 政 工 程 设 计 研 究 总 院 有 限 公 司 摘 要：水 池 结 构 一 般 有 手 册 查 表 计 算 法 和 有 限 元 法 两 种 计 算 方 式，本 文 针 对 带 盖 矩 形 水 池 池 壁 竖 向 弯矩 的 计 算，通 过 两 种 计 算 方 法 进 行 对 比，分 析 了 手 册 查 表 计 算 法 和 有 限 元 计 算 结 果 之 间 的 区 别 及 原 因，提 出 了 手 册 查 表 计 算 法 在 工 程 设 计 中 的 注 意 事 项 及 应 对 措 施，供 同 行 参 考。关 键 词：水 池竖 向 弯 矩手 册 查 表 计 算 法有 限 元 法：牞 牞 牞 牶 牞 牞 牶 引 言给 水 排 水 工 程 中，水 池 结 构 使 用 范 围 广、类型 多，针 对 水 池 结 构 的 计 算 一 般 有 两 种 方 法：手册 查 表 计 算 法 及 有 限 元 法。手 册 查 表 计 算 法 需 要 设 计 人 根 据 相 关 规范、规 程、静 力 计 算 手 册 等，确 定 各 构 件 类型，假 定 各 构 件 的 边 界 约 束，赋 予 荷 载 并 进 行 计算。近 些 年 来 随 着 有 限 元 软 件 的 发 展，一 些 商 用有 限 元 水 池 结 构 分 析 及 设 计 软 件 已 被 广 大 结 构 设计 工 作 者 所 接 受。实 际 操 作 过 程 中 笔 者 发 现，手册 查 表 计 算 法 和 有 限 元 的 结 果 往 往 存 在 较 大 差异，导 致 设 计 人 在 二 者 之 间 难 以 取 舍。国 内 相 关 学 者 对 水 池 手 册 查 表 计 算 法 和 有 限元 计 算 之 间 的 差 异 做 过 计 算 对 比 分 析。文 献 认为，手 册 查 表 计 算 法 假 定 周 边 的 板 对 目 标 板 为 固定 作 用，但 是 因 为 周 边 的 板 产 生 一 定 的 变 形，实际 受 力 时 不 可 能 达 到 完 全 固 结 的 效 果。文 献 认为，手 册 查 表 计 算 法 未 能 考 虑 池 壁 与 底 板 的 共 同作 用，导 致 手 册 查 表 计 算 法 池 壁 根 部 弯 矩 偏 大。对 于 带 盖 矩 形 水 池 的 竖 向 弯 矩，目 前 学 术 界尚 无 系 统 的 研 究。本 文 通 过 带 盖 矩 形 水 池 的 工 程案 例，分 析 手 册 查 表 计 算 法 和 有 限 元 法 池 壁 竖 向弯 矩 存 在 差 异 的 原 因，为 设 计 者 在 今 后 的 水 池 计算 中 提 供 参 考。典 型 案 例某 带 盖 矩 形 水 池，平 面 总 尺 寸，池 深，平 剖 面 见 图。参 数 取 值：地 下 水 位 为 地 面；池 内 水 深；钢 筋 混 凝 土 容 重，水 容 重，土容 重，浮 重 度；池 外 壁 壁 面 温差 ；顶 板 活 荷 载；地 面 堆 载；主 动 土 压 力 系 数；不 考 虑 地 震 及 风荷 载。基 础 采 用 预 制 管 桩 基 础。带盖矩形水池池壁竖向弯矩计算探讨王 跃 磊张 宁?图 水池结构平剖面 有 限 元 法 及 手 册 查 表 计 算 法 对 比 分 析 有 限 元 法利 用 世 纪 旗 云 水 池 结 构 分 析 设 计 软 件，对 该水 池 进 行 建 模 计 算，模 型 如 图所 示。图 世纪旗云计算模型 水 池 主 体 采 用 板 单 元，梁 采 用 梁 单 元。壁 板之 间、壁 板 与 顶 板 之 间、壁 板 与 底 板 之 间 均 为 弹性 固 定。地 基 采 用 温 克 尔 地 基 模 型，底 板 下 为 弹簧 支 座，并 考 虑 桩 与 土 的 共 同 作 用，土 按 基 床 系数 和 桩 的 刚 度 进 行 分 配。轴 池 壁，即 外 池 壁，考 虑 如 下 单 工 况：结 构 自 重、池 内 水 压 力、土 侧 压 力 及 池 外 水 压力、顶 板 活 荷、地 面 堆 载、温 度 作 用。经 计 算，轴 池 壁 跨 中 位 置 各 单 工 况 下 竖 向 弯 矩如图所 示（注：池 壁 外 侧 受 拉 时为 正 值，以下 同）。图 各单工况下 轴池壁弯矩（单位：）（：）从 以 上 结 果 可 以 看 出，结 构 自 重、温 度 作图 单侧有水工况下 轴池壁弯矩（单位：）（：）用、顶 板 活 荷 载 作 用 下，外 池 壁 均 出 现 正 弯 矩，其量 值 不 可 忽 视，而 这 几 项计 算 在 手 册 查 表 计 算 时 一般 被 忽 略 了 正 弯 矩 的 计 算。轴 池 壁 即 中 隔 墙，经 试 算，在 结 构 自 重、土侧 压 力 及 池 外 水 压 力、顶板 活 荷、地 面 堆 载、温 度作 用 五 种 单 工 况 下，其 内力 均 可 以 忽 略 不 计。一 侧满 水 一 侧 空 池 工 况 下，竖向 弯 矩如 图所 示。手 册 查 表 计 算 法、轴 池 壁 长，高，长 高 比 为，为 单 向 受 力 板，顶 部 简 化 为 简 支 约 束，底部 简 化 为 固 端 约 束。轴 池 壁：手 册 查 表 计 算 一 般 无 法 计 算 结 构自 重、温 度 作 用、顶 板 活 荷 下 的 池 壁 弯 矩，为 简化 计 算 只 进 行 池 内 水 压 力、土 侧 压 力 及 池 外 水 压力、地 面 堆 载 三 种 单 工 况。年 月第 卷第 期 轴 池 壁：只 计 算 单 侧 有 水 工 况。其 计 算 简图、弯 矩 图 同 池 内 水 压 下轴 池 壁。计 算 结 果 差 异 分 析对轴 池 壁 池 内 水 压 单 工 况 及轴 池 壁 单 侧 有水 工 况 下 的 竖 向 弯 矩，分 析 有 限 元 法 和 手 册 查 表 计算 法 的 差 异。轴 池 壁：有 限 元 法（图）中，池 内 水 压下，池 壁 根 部 弯 矩 ，跨 中 弯 矩，手 册 查 表 计 算 法（图）中，池 壁 根部 弯 矩，比 有 限 元 结 果 大，跨中 弯 矩，比 有 限 元 结 果 小。轴 池 壁：有 限 元 法（图）中，单 侧 有 水下，池 壁 根 部 弯 矩 ，跨 中 弯 矩，手 册 查 表 计 算 法（图）中，池 壁 根部 弯 矩，比 有 限 元 结 果 大，跨中 弯 矩，比 有 限 元 结 果 大。从 以 上 结 果 可 以 看 出，与 外 池 壁 相 比，中 隔墙 有 限 元 结 果 更 接 近 于 手 册 查 表 计 算 结 果。主 要原 因 在 于 中 隔 墙 底 部 两 侧 均 有 底 部 约 束，嵌 固 作用 更 强，而 外 池 壁 底 部 一 侧 为 底 板，一 侧 为 飞边，飞 边 对 外 池 壁 的 约 束 作 用 几 乎 可 以 忽 略。另 外，分 析 手 册 查 表 计 算 结 果 与 有 限 元 结 果的 差 异：手 册 查 表 计 算 中，假 定 底 板 为 池 壁 底 部嵌 固 支 座，假 定 顶 板 为 池 壁 顶 部 简 支 支 座，而 实际 上 由 于 底 板 刚 度 有 限，对 池 壁 的 嵌 固 作 用 也 有限，顶 板 有 一 定 刚 度，对 池 壁 顶 部 有 一 定 约 束作 用。在 有 限 元 软 件 中 不 断 加 大 底 板 厚 度，减 小 顶板 厚 度，池 壁 弯 矩 越 来 越 接 近 手 册 查 表 计 算 结果。当 底 板 厚 度 加 至，顶 板 厚 度 减 至后，此 时 竖 向 弯 矩 与 手 册 查 表 计 算 结 果 差值 仅 为。如 表、表所 示。图 各单工况下 轴池壁计算简图及弯矩图（单位：）（：）表 轴 池 壁 改 变 底 板、顶 板 厚 后 竖 向 弯 矩（单 位：）（：）轴 池 壁根 部 弯 矩跨 中 弯 矩底 板 厚顶 板 厚 底 板 厚顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 表 轴 池 壁 改 变 底 板、顶 板 厚 后 竖 向 弯 矩（单 位：）（：）轴 池 壁根 部 弯 矩跨 中 弯 矩底 板 厚顶 板 厚 底 板 厚顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 底 板 厚 度顶 板 厚 带盖矩形水池池壁竖向弯矩计算探讨王 跃 磊张 宁?验 算 分 析根 据 给 水 排 水 工 程 构 筑 物 结 构 设 计 规 范（）、给 水 排 水 工 程 钢 筋 混 凝 土水 池 结 构 设 计 规 程（），按 照 基本 组 合 进 行 承 载 能 力 极 限 状 态 计 算，在 组 合 作 用下，构 件 截 面 处 于 轴 心 受 拉 或 小 偏 心 受 拉（全 面处 于 受 拉）状 态 时，应 按 不 出 现 裂 缝 控 制，并 应取 作 用 短 期 效 应 的 标 准 组 合 进 行 验 算；当 在 组 合作 用 下，构 件 截 面 处 于 受 弯 或 大 偏 心 受 压、受 拉状 态 时，应 按 限 制 裂 缝 宽 度 控 制，并 应 取 作 用 长期 效 应 的 准 永 久 组 合 进 行 验 算。池 壁 的 受 力 状 态 为 受 弯，因 此 需 进 行 作 用 长期 效 应 的 准 永 久 组 合 验 算，裂 缝 控 制 宽 度 为。共 需 考 虑 两 种 工 况：满 水 试 验 及 空 池检 修。因轴 池 壁 仅 存 在 单 侧 有 水 工 况，因 此 本 文仅 对轴 池 壁 进 行 各 工 况 组 合 分 析。（）满 水 试 验 工 况 下，共 两 种 组 合 工 况：工 况：结 构 自 重、池 内 水 压 力 二 者 组 合；工 况：结 构 自 重、池 内 水 压 力、温 度 作 用三 者 组 合。满 水 试 验 情 况 下 顶 板 不 会 大 量 加 载，因 此 不 考 虑 顶 板 活 荷 参 与 组 合。（）空 池 检 修 工 况 下，地 面 堆 载 作 用 原 理 等同 于 土 侧 压 力 及 池 外 水 压 力，因 此 考 虑 二 者 同 时出 现；另 外，温 度 作 用 是 考 虑 池 内 液 体 与 池 外 大气 温 差 产 生 的 影 响，因 此 对 其 不 予 考 虑。共 两 种工 况 组 合：工 况：结 构 自 重、土 侧 压 力 及 池 外 水 压 力、地 面 堆 载 三 者 组 合；工 况：结 构 自 重、土 侧 压 力 及 池 外 水 压 力、地 面 堆 载、顶 板 活 荷 四 者 组 合。各 单 工 况 准 永 久 系 数 如 下：结 构 自 重、池 内 水 压 力、土 侧 压 力 及 池 外 水 压 力、地 面 堆 载、顶 板 活 荷、温 度 作 用。有 限 元 计 算 中，各 工 况 组 合 下轴 池 壁 跨 中位 置弯 矩 见 图。手 册 查 表 计 算 一 般 无 法 计 算 结 构 自 重、温 度作 用、顶 板 活 荷 下 的 池 壁 弯 矩，因 此 满 水 试 验 工况 下 只 考 虑 池 内 水 压 力，空 池 检 修 工 况 下 考 虑 土侧 压 力 及 池 外 水 压 力、地 面 堆 载 二 者 组 合。图 有限元计算各工况下 轴池壁弯矩（单位：）（：）图 手册查表计算法各工况下 轴池壁弯矩（单位：）（：）由 图和 图可 以 看 出：满 水 试 验 工 况 下，有限 元 计 算 结 果 池 壁 根 部 弯 矩，跨 中 弯矩，手 册 查 表 计 算 结 果 池 壁 根 部 弯 矩，跨 中 弯 矩。空 池 检 修 工况 下，有 限 元 计 算 结 果 池 壁 根 部 弯 矩，跨 中 弯 矩，手 册 查 表 计 算 结 果 池 壁根 部 弯 矩，跨 中 弯 矩 。两 种 工 况 下，根 部 弯 矩 有 限 元 结 果 均 小 于 手 册 查表 计 算 结 果，跨 中 弯 矩 有 限 元 结 果 均 大 于 手 册 查表 计 算 结 果。分 析 原 因 如 下：手 册 查 表 计 算 中 假定 池 壁 底 部 为 嵌 固，顶 部 为 简 支，与 实 际 情 况 存 在（下 转 第页）年 月第 卷第 期 ，（）：，：杨 鸿，杨 代 恒，赵 阳钢 筒 仓 散 料 静 态 压 力 的 三 维 有 限 元模 拟 浙 江 大 学 学 报（工 学 版），（）：，（），（）：，（）：周 长 东，郭 坤 鹏，孟 令 凯，等钢 筋 混 凝 土 筒 仓散 料 的静 力 相 互 作 用 分 析 同 济 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：，（），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，：建 筑 抗 震 设 计 规 范 北 京：中 国 建 筑工 业 出 版 社，：，：，：，（）：櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧（上 接 第页）一 定 差 异；有 限 元 可 以 计 算 的 单 工 况 比 较 多，而手 册 查 表 计 算 因 为 计 算 困 难 会 忽 略 一 些 单 工 况。结 论通 过 以 上 分 析，对 带 盖 矩 形 水 池 得 出 以 下 结论，供 水 池 设 计 时 参 考：水 池 计 算 中，手 册 查 表 计 算 法 因 假 定 的 边界 条 件 为 理 想 状 态，而 且 不 能 考 虑 所 有 的 单 工况，其 计 算 结 果 与 有 限 元 计 算 有 一 定 差 异。在 结 构 自 重、顶 板 活 荷、温 度 作 用 三 种 单工 况 下，均 引 起 外 池 壁 外 侧 受 拉，其 数 量 级 是 不可 忽 视 的。手 册 查 表 计 算 结 果 的 外 池 壁 竖 向 弯 矩 根 部 弯矩 偏 大，跨 中 弯 矩 偏 小。根 据 手 册 查 表 计 算 结 果 进行 池 壁 竖 筋 配 筋 时，通 筋 应 适 当 加 大，保 证 跨 中 有足 够 承 载 力；根 部 附 加 筋 应 适 当 减 小，节 约 造 价。手 册 查 表 计 算 结 果 的 中 隔 墙 竖 向 弯 矩 根 部弯 矩 及 跨 中 弯 矩 均 偏 大。根 据 手 册 查 表 计 算 结 果配 筋 时 可 适 当 减 小 竖 筋，节 约 造 价。相 对 于 外 池 壁，中 隔 墙 竖 向 弯 矩 手 册 查 表计 算 结 果 更 接 近 于 有 限 元 结 果。参 考 文 献 给 水 排 水 工 程 构 筑 物 结 构 设 计 规 范 朱 清 元钢 筋 混 凝 土 水 池 的 有 限 元 算 法 与 手 册 算 法 比 较特 种 结 构，（）：，（）：宣 锋给 排 水 工 程 水 池 结 构 三 维 与 二 维 计 算 结 果 对 比 探 析特 种 结 构，（）：，（）：