第3章圓形水池1

1、3-1概述本章提要：根據(jù)規(guī)范著重介紹荷載組合，計算簡圖、內(nèi)力計算方法、構(gòu)造設(shè)計。主要針對圓形及矩形貯液池講解。一、定義、應(yīng)用及尺寸的確定一、定義、應(yīng)用及尺寸的確定 1.定義：貯液池是貯存石油、水及各種液體的構(gòu)筑物。2.應(yīng)用：煤炭地面建筑、給排水工程、石油、化工等各種工業(yè)企業(yè)中廣泛應(yīng)用。 3.尺寸的確定 由工藝人員提資，土建人員根據(jù)給定的要求、地質(zhì)情況、材料的供應(yīng)、施工情況、經(jīng)濟比較確定。 二、類別的劃分二、類別的劃分 按形式劃分：矩形（單格、多格），圓形（球殼、圓柱形、圓錐形）按容積劃分：小型水池（200m3）、中型水池、大型水池（ 300m3 ）按埋置深度劃分：地上水池、地下水池、半地上水池

2、按頂蓋類型劃分：封閉式水池、開口式水池 三、性能三、性能 1.抗?jié)B性 抗?jié)B等級：抗?jié)B等級Si是指齡期為28天的混凝土試件，施加0.1iNmm2水壓后滿足不滲水的指標。 現(xiàn)在用Pi提高抗?jié)B性能的措施：增加水泥用量，用量過多會加大干縮量，普通混凝土不宜超過3600Nm，預(yù)應(yīng)力混凝土的水泥用量不宜超過4100Nm。加入各種防水摻合料來提高其抗?jié)B性能改變級配振搗密實2.抗凍性 對位于寒冷或嚴寒地區(qū)的外露鋼筋混凝土貯液池，應(yīng)保證混凝土具有良好的抗凍性能。為此，混凝土一般不應(yīng)低于C25級。水灰比不應(yīng)大于0.55，水泥用量也同樣不應(yīng)超過抗?jié)B要求的標準。3.抗侵蝕性 對接觸弱侵蝕性介質(zhì)的混凝土，可選用適宜品種

3、的水泥、骨料。例如火山灰質(zhì)水泥的抗侵蝕性好，特別是對抗硫酸鹽的侵蝕更為有利。也可加設(shè)貼面。另外，在混凝土保護層最小厚度規(guī)定上較為嚴一些，見下表。4.穩(wěn)定性要求 位于地下水位以下的貯液池，當(dāng)池內(nèi)無液體或液體很少時，如果地下水對貯液池的浮力大于水池的總重量，則會發(fā)生整個貯液池被浮托起來的危險，在設(shè)計中必須予以考慮。 基礎(chǔ)底面上的局部地下水浮托力可按下式計算： fwwwfwph總浮托力：fwfwpApGR=池總重+池頂覆土總重+底面向外挑出部分上的土重抗浮總重：當(dāng)墊層和底板可靠錨住時，可計及墊層的浮重。池總重內(nèi)不包括池內(nèi)液體重量。穩(wěn)定性要求：1.05RfwGp 抗浮的處理措施： （1）當(dāng)抗浮穩(wěn)定性不

4、能滿足時， 可采取增加覆土厚度， 加大挑出底板尺寸， 設(shè)置錨樁，底板內(nèi)砌石或加混凝土配重等。 在山區(qū)還可通過設(shè)置地錨的辦法來抗浮。 （2）當(dāng)局部抗浮不滿足時 上述方法中除加大挑出底版尺寸的辦法不適用外，其它方法仍可采用。局部抗浮驗算：池壁傳遞的抗浮力所占的比例過大，會發(fā)生中間支柱向上浮（移動），造成板開裂。故(GR/A） /pfw=1.0。 其中要GR/A扣除池壁的重量。3.2貯液池貯液池3.2.1荷載計算可能出現(xiàn)的荷載：各部分的自重、池壁內(nèi)外的壓力、頂蓋填土、活荷載池底上的液體壓力、地基反力、浮力、地震作用、溫度作用、產(chǎn)生的附加應(yīng)力1.池頂荷載永久荷載：頂板自重、防水層重、覆土層重按實際計算

5、?？勺兒奢d：活載、雪載可查規(guī)范活載也可按實際取值；若無專門要求可取標準值1.5N/m2二者取大值不同時考慮。2.池壁荷載豎向荷載：由自重和池頂荷載產(chǎn)生，產(chǎn)生荷載效應(yīng)是彎矩和壓力。水平荷載：水和土產(chǎn)生的側(cè)壓力 pwk=H 設(shè)計水位常池內(nèi)頂面下在200300mm處，為簡化計算常取壁高或壁凈高計算。壁頂壓力：psk1= (hs+h1）tg2(450-/2) 覆土厚 頂板厚壁底壓力： psk2= (hs+h1+Hn）tg2(450-/2) 壁凈高若有地下水時，以水位為界分兩段梯形計算，水位考慮浮力及側(cè)向水壓。亦可簡化計算常將折線分布側(cè)壓力取為直線分布計算。池壁底部土側(cè)壓力：/20/212()(45)s

6、ksnwwskwWphhHHHqtgH02(45)qkkPq tg池壁外側(cè)壓力根據(jù)實際情況組合：當(dāng)位于地下水位以上時：頂端 pk1=pqk+psk1 底端 pk2=pqk+psk2當(dāng)位于地下水位以下時：底端 pk2=p/sk2池底荷載及地基土應(yīng)力池底荷載:是指使底板產(chǎn)生M,V的那一部分反力或地下水浮力。地基反力使底板產(chǎn)生內(nèi)力、地基反力由三部分組成:(1)池頂活荷載產(chǎn)生的，可直接取活荷載標準值qk=1.5KN/ m2(2)池頂覆土引起的，可直接取池頂單位面積土重qsKN/ m2(3)頂板自重Gr（KN），池壁自重Gw （KN）及支柱自重Gc引起的。當(dāng)?shù)鼗蝗鯐r，反力按均勻分布考慮，則：Pn=qk

7、+qs+(Gr+Gw+Gc)/A (A)注意當(dāng)外挑時，按（A）計算偏于安全，精確計算再將（qk+qs） ，即可 當(dāng)有浮力時，地基反力Pn將減小，但作用于底板上的總反力不變。AA頂?shù)?.2.2貯液池設(shè)計時的荷載組合貯液池設(shè)計時的荷載組合 貯液池強度計算時，需考慮試水階段、覆土階段和使用階段的計算。一般可歸結(jié)為下列四種荷載組合：1.結(jié)構(gòu)自重+池內(nèi)滿水壓力(試水階段)2.結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)外液體壓力(有時無內(nèi)液體壓力)+外土壓力+活荷載(或雪載)3.結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)液體壓力+冬季溫差影響4.結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)液體壓力+夏季濕差影響承載能力極限狀態(tài)的組合 地面式水池荷載組合：（1）池內(nèi)滿水（2）池內(nèi)滿水及溫差（濕差）

8、作用。注意： （1）、（2）取溫、濕差中當(dāng)量中的較大者計算。 有保溫時只（1）情況，底板不計入溫度作用。 對于地下式池和有覆土保護的半地下式池，需進行(1),(2)，荷載組合，其組合為相反內(nèi)力兩種最不利狀態(tài)，可不進行(3)，(4)荷載組合的計算。 若地下式池和半地卡式池在澆筑完畢后較長時間不覆土，又無可靠保護措施時，仍需要計算溫濕差影響。 在（2）中若結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)外液體壓力 +外土壓力+活荷載(或雪載）時，在包絡(luò)圖極值外某區(qū)段內(nèi)可能起控制作用，常在兩端彈性嵌固的水池中發(fā)生，而在兩端固定、自由、鉸支時，則不考慮此種組合。正常使用極限狀態(tài)組合依據(jù)設(shè)計要求定，主要是裂縫控制：軸拉、小偏拉按不允許開裂

9、考慮。只要第一極限考慮的荷載，則第二極限考慮。大偏拉（壓）-按限制裂縫寬度考慮。只要考慮使用極限狀態(tài)荷載組合。構(gòu)造特點 圓形貯液池由頂蓋、池壁，底板組成。 1.頂蓋當(dāng)貯液池直徑較小(一般在6m及以下)時，宜采用中間無支柱的形式當(dāng)貯液池直徑在6m10m之間時，采用有一個支柱的圓平板直徑較大（大于10m）時，宜采用中間多柱支承的形式厚度:一般不宜小于100mm。且支座截面應(yīng)滿足下式要求V=h a1h,且a2 =a地基良好，為低或中壓縮性土滿足以上條件可視為固定支承滿足以上條件可視為固定支承b.彈性嵌固支承彈性嵌固支承:整體連接不能滿足時a時考慮到變形的連續(xù)性，池壁與底板連接可視為可以產(chǎn)生彈性轉(zhuǎn)動的

10、剛性節(jié)點。滿足以上條件可視為彈性嵌固支承滿足以上條件可視為彈性嵌固支承 環(huán)向彎矩相對很小，可以忽略不計。4基本方程 池壁厚度A遠小于池半徑r，可視為圓柱型薄殼結(jié)構(gòu)。直接作用于池壁的荷載主要是側(cè)向液壓力和土壓力，在正常情況下是軸對稱的。由頂蓋傳下的豎向壓力對池壁的影響一般可以不計。下面列出液壓力作用下的池壁內(nèi)力計算基本方程。(1)內(nèi)力和位移關(guān)系EhNr22xdMDdx (2)平衡方程xxN dxp dxdsdV dsdsrxxV dxdM442xpdEhdxDrD4214DrEh4444xpddxD 通過合并整理得：3212 1EhD2xp xrEh2xrEh兩端邊界條件來確定。為積分常數(shù)，可由

11、池壁、其中1321432144332211)cos()()sin()(41)()sin()(21)()cos()()sin()(21)()cos()()()()()()(ccccxxshxxchxxxshxxxshxxchxxxchxxcxcxcxcNMVdxdpEhrxCxCxCxCdxdxCxCxCxCDVxCxCxCxCDMrpxcxcxcxcrEhNxx234231241144332213241342312443322113)()()()(4)()()(4)(4)()()(4)(4)()()()(5.內(nèi)力計算1）基本公式對于某一特定邊界條件的池壁，在某種確定軸對稱線性分布荷載作用下，只

12、需根據(jù)已知邊界條件確定積分常數(shù)C1、C2、C3、C4就可以導(dǎo)出池壁內(nèi)力的具體計算公式。以頂端自由、底端固定為例，如后圖所示。X=0處Mx=0=0 Vx=0=0X=H處Wx=H=0 x=H=0則12221124()()11() 4()()HHHrHrEhHHHEhCHG 1224121244()()22() 4()()HHHrHrEhEhHHHCHG 340CC代入內(nèi)力計算公式:1122()()xHNrH GxGx 3222132412(1).()()HrhHxMGxGx 322422122312(1).()()HrhHxVGxGxH 1122()()xNHkGxGx 2221132412(1)

13、.()()HxrhMkGxGx 32242122312(1).()()xHrhHVkGxGx則 環(huán)向拉力 豎向彎矩 剪力rNNkp2xxMMkpHxxVVkpH上述過程表明，池壁內(nèi)力的計算步驟是相當(dāng)繁瑣的，但如果將內(nèi)力系數(shù)編制成表格可以在很大程度上簡化計算，用同樣的方法可以推導(dǎo)出其他邊界和荷載狀態(tài)下的內(nèi)力計算公式，并編制成內(nèi)力系數(shù)表。見附錄1是常用圓形水池池壁內(nèi)力系數(shù)表 環(huán)向內(nèi)力 圖4.5為池頂自由、池壁底部固定、在內(nèi)部水壓力作用下貯液池池壁環(huán)向力分布曲線，將圖中各條曲線與兩端自由的貯液池在液體壓力下的環(huán)向力分布曲線(圖中的斜直線)比較可以看出： a.池壁底部的固定約束對環(huán)向力的影響區(qū)域隨著

14、的增大而縮小，在時，底部固定約束對環(huán)向力的影響波及整個池高，并且在整個池高范圍以內(nèi)的環(huán)向力很小，環(huán)向力的分布表現(xiàn)為上大下小的倒三角形。當(dāng) 以后，環(huán)向力最大值開始下移，頂部也逐漸接近零。隨著 的增大，底部固定端約束對No的影響范圍逐漸縮小，隨著環(huán)向力最大值的位置逐步下移，環(huán)向力的最大值也逐步增大。在 24時，底部固定端約束只對池下部H/4內(nèi)的環(huán)向力有影響，上部3H/4高度范圍內(nèi)的環(huán)向力的分布與兩端自由的貯液池的環(huán)向力分布非常接近。這都表明 大到一定程度時，底部固端約束的影響擴展不到另一端。 池壁內(nèi)豎向彎矩M。 圖46為壁頂自由、壁底固定時的池壁在液壓力作用下豎向彎矩的分布規(guī)律。由圖可見，在 時，

15、豎向彎矩在壁底最大，其值為 這個值只比承受三角形荷載的懸臂構(gòu)件的最大彎矩 ，兩者的分布規(guī)律也非常接近，且彎矩使池壁內(nèi)部受拉。N20.22rh20.62rh22rh22rh22rh20.22rh30.15wH30.166wH小9.6%22rh22rh 圖4.6進一步反映出，當(dāng) 越大，通過環(huán)向力抵抗的荷載也越多，這說明，壁底彎矩隨著 的增大而迅速減小。同時彎矩的分布也發(fā)生變化， 較小時，彎矩使池壁內(nèi)部受拉， 大到一定程度，池壁在下部內(nèi)側(cè)受拉，中部或上部變?yōu)橥鈧?cè)受拉，當(dāng) 56時，豎向彎矩的數(shù)值和影響22rh22rh22rh22rh范圍都很小。在 16時，池壁外側(cè)受拉的彎矩可以忽略，使池壁內(nèi)側(cè)受拉的彎

16、矩也只在池壁下部H/10高度范圍內(nèi)起作用。22rh頂部邊界彎矩作用下池壁內(nèi)力變化規(guī)律 圖47繪出了幾種不同的 值時的 的分布曲線。從中可見， 8時，上部邊界彎矩主要對上部0.5H范圍內(nèi)有影響，說明上端邊界彎矩幾乎傳不到下端。隨 的減小即池壁高度相對較小時，上端彎矩才可能傳到下端，計算時不能忽略。22rh0 xMM22rh22rh 頂蓋與底板計算頂蓋與底板計算 3241 頂蓋計算 現(xiàn)澆式圓形平板或圓心加柱的圓形平板頂蓋在荷載作用下，一般按彈性理論計算，均有現(xiàn)成表格可供查 用?，F(xiàn)澆整體式無梁樓蓋頂板，一般可采用彈性理論計算方法中“經(jīng)驗系數(shù)法”。此法只考慮均布荷載滿布的 情況。在計算

17、時先求出中間區(qū)格和邊區(qū)格跨中彎矩和支座彎矩總和，然后查表求無梁樓蓋頂板各處的彎矩值。底板計算 水池的底板有整體式和分離式兩種。 整體式的整個底板也就相當(dāng)于水池的基礎(chǔ)，水池的全部重量和荷載都是通過底板傳給地基的。對于有支柱的水池底板，通常假設(shè)地基反力均勻分布，故其計算與頂板相同。對于無支柱的圓板，當(dāng)直徑不大時，也可按地基反力均布計算。但當(dāng)直徑較大時，則應(yīng)根據(jù)有無地下水來確定計算方法。當(dāng)無地下水時，池底荷載為地基土反力，這時應(yīng)按彈性地基上的圓板來確定池底地基土反力的分布規(guī)律；當(dāng)有地下水且池底荷載主要是地下水的浮力時，則應(yīng)按均勻分布荷載計算；當(dāng)池底處于地下水位變化幅度內(nèi)時，圓板應(yīng)按彈性地基(地下水位

18、低于底板)和均勻分布反力(地下水位高于底板)兩種情況分別計算，并根據(jù)兩種計算結(jié)果中的最不利內(nèi)力來設(shè)計圓板截面。 分離式底板不參與水池主體結(jié)構(gòu)的受力工作，而只是將其本身重量及直接作用在它上面的水重傳給地基，通?？梢哉J為在這種底板內(nèi)不會產(chǎn)生彎矩和剪力，其厚度和配筋均由構(gòu)造確定。 當(dāng)采用分離式底板時，圓水池池壁的基礎(chǔ)為一圓環(huán)，原則上應(yīng)作為支承在彈性地基上的環(huán)形基礎(chǔ)來計算。但當(dāng)水池直徑較大，地基良好，且分離式底板與環(huán)形基礎(chǔ)之間未設(shè)置分離縫時，可近似地將環(huán)形基礎(chǔ)展開成為直的條形基礎(chǔ)進行計算。但此時，在基礎(chǔ)內(nèi)宜按偏心受拉構(gòu)件受拉鋼筋的最小配筋率配置環(huán)向鋼筋，且這種環(huán)向鋼筋在基礎(chǔ)截面上部及下部均應(yīng)配置。池壁截面設(shè)計池壁截面設(shè)計1.池壁截面的設(shè)計內(nèi)容：a.計算所需環(huán)向、豎向鋼筋的面積b.按環(huán)向拉力下不允許出現(xiàn)裂縫驗算壁厚c.驗算豎向彎矩下的裂縫寬度d.斜截面抗剪驗算壁厚2.環(huán)向鋼筋的配置：a.按軸拉構(gòu)件計算，不考慮溫差，即環(huán)向鋼筋忽略分段求出 環(huán)向最大拉力配筋對稱分布池壁內(nèi)外兩側(cè)。b.按偏心