钢筋混凝土水池设计（共11篇）
钢筋混凝土水池设计 篇1
0前言
随着社会的发展, 城市的扩大, 民用建筑、工业生产和环境保护的需要, 水池类构筑物工程建设逐年增多。而钢筋混凝土作为常见的水池结构材料, 被广范应用于工业与民用建筑的给水、污水、消防工程中。在满足工艺要求的前提下, 水池结构既要能够满足结构的正常使用要求, 又要经济合理。
1 钢筋混凝土水池分类及应用
钢筋混凝土水池有多种分类方法, 如按结构形式可分为圆形水池、矩形水池;按施工方式可分为整体式、分离式和装配式;按用途可分为水处理水池和贮水池等。钢筋混凝土水池大部分建于地下或半地下, 因为这种布置方式质量较好而且可以节省材料, 在地下温度及风化作用等荷载较小, 池壁外土压力能平衡部分或全部池壁内的水压力, 对水池结构的正常使用有利。在多种因素的作用下, 池体结构会产生裂缝 (包括池顶板、壁板、底板) , 为了使裂缝不致过大而影响水池的使用, 应按规范严格控制裂缝的宽度 (一般水池裂缝控制在0.2 mm) 。此外, 钢筋混凝土水池结构还应考虑池体的抗渗性能。
2 钢筋混凝土水池结构设计的基本规定
1) 各种结构类别、形式的水池均应进行强度计算, 可按GB50010-2010《混凝土结构设计规范》中的有关规定计算。根据荷载条件、工程地质条件和水文地质条件, 确定是否需要验算结构的稳定性。
2) 钢筋混凝土水池应进行抗裂度或裂缝宽度验算。满足正常使用要求时, 控制裂缝开展是必要的, 对于圆形水池或矩形水池的某些部位 (例如长壁水池的角隅处) , 其受力状态多属轴拉或小偏心受拉, 整个截面处于受拉状态, 这就需要控制其裂缝出现;更多的构件将处于受弯, 大偏心受力状态, 为满足结构的耐久性要求, 需要限制混凝土的裂缝开展宽度, 防止因钢筋锈蚀而影响水池的使用年限。同时, 还要满足规范规定的混凝土抗渗, 抗冻以及钢筋保护层厚度等要求, 详见《混凝土结构设计规范》有关规定。
3) 当建筑场地的地下水位比较高时, 还应对水池进行抗浮验算。
3 钢筋混凝土水池结构的荷载
对于非地上式水池, 池壁的水平向荷载包括:池内水压力, 池外土压力 (包括地面活荷载影响和地下水位所处的位置的影响) ;垂直向荷载包括:池内水重和池外土重。荷载最不利组合可分为:池内有水、池外无土;池外有土、池内无水。
1) 池内水压力:池内水压作为水池类构筑物的主要荷载。在设计过程中, 应当偏于安全的按满水高度来计算水压, 因为使用过程中很可能由于值班人员疏忽、计量仪表失灵等造成满池。
2) 池外土压力:池外土压力可按库伦土压力理论或郎肯土压力理论确定。在设计过程中, 应考虑底面堆载或活荷载对池壁所受到的土压力的影响, 地面堆载或活荷载的取值可按照相关的规范确定。同时, 当建筑场地的地下水位较高时, 池壁所受到的压力应计入池外地下水压力的作用。此时, 池外土压力应按土的有效重度计算, 池壁所受到的池外压力为池外土压力加上地下水压力。
3) 浮力:当建筑场地的地下水位较高时, 池壁外侧除应考虑地下水的水平向压力外, 还应考虑地下水对池体的浮力。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也时有发生。地质勘察报告所提供的地下水位一般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。根据实际情况, 结合地方水文资料, 确定一个合适的地下水位标高做设计地下水位, 做到既保证使用阶段结构安全和不利情况抗浮安全, 又能降低工程造价双赢的目的。
4) 温、湿度作用。由于混凝土施工过程中的水化热、工业生产条件以及季节变化等使水池膨胀或收缩, 在池体中产生相应的应力, 很容易产生有害裂缝。
4 钢筋混凝土水池结构的荷载及边界条件
池体结构一般由池壁、底板和顶盖组成。选择合理的结构计算简图和计算公式才能保证结构设计的准确、可靠。水池内力分析计算时, 应做到边界条件的假定与实际情况相符。
1) 当水池设有顶板时, 顶板可按一般的双向板来计算。当顶板长边不小于短边长度的3倍时, 可按单向板计算。
2) 当水池设有顶板时, 池壁顶端的边界条件应根据顶板与池壁的连接构造来确定。当池壁线刚度不小于5倍顶板线刚度时, 可认为池壁顶端为铰支, 否则应按弹性固定计算。当池壁长度不小于池壁高度的3倍时, 池壁可简化为沿池壁高度方向的一端铰接, 另一端固定的单向板。开敞式水池的池壁边界条件可假定为三边固定, 顶边自由, 当池壁长度不小于池壁高度的3倍时, 池壁可简化为沿池壁高度方向的悬臂板计算。比较两种边界条件假定的内力计算结果, 设置顶盖的池壁所承受的弯矩要小很多。
3) 对于池体容积小, 短跨尺寸在6m以内, 地基土质较好时, 计算底板内力可以按地基反力直线分布计算。一般情况下, 直接作用于底板上的池内水重和底板自重与它们引起的那部分地基反力直接抵消, 而不产生弯曲应力。只有由池壁和池顶、支柱作用在底板上的力所引起的地基反力才会使底板产生弯曲应力。当存在多格水池分格盛水时, 地基反力可按照局部均布荷载下的直线分布的原则计算。此时应分格满池最不利布置按照单向板或双向板进行静力结构计算。当池底为软土地基或板的跨度较大时, 应采取单位截条, 将构筑物内外墙作为集中力按弹性地基梁进行内力分析。此时考虑地基变形影响, 按文克尔假定或半无限弹性体假定计算, 两者均可以查表或软件计算。
5 构造措施
1) 钢筋混凝土水池, 池壁、底板厚度均不宜小于200mm。池壁、底板的受力钢筋宜选用小直径且间距较密的钢筋, 有利于控制水池裂缝的宽度。水池各部位的钢筋间距宜控制在100~250 mm范围内。为了保证水池结构的耐久性, 水池各部位构件受力钢筋的混凝土保护层最小厚度应符合GB50010-2010《混凝土结构设计规范》等相关规范的规定。足够的钢筋保护层厚度, 保证了混凝土 (钢筋与模板间) 施工振捣的质量, 对混凝土的水密性也是有利的。对于平面尺寸大于规范规定的设置伸缩缝间距的水池, 还应设置800~1 000 mm的后浇带, 以控制温度变化, 混凝土收缩等引起的应力和变形。
2) “暗梁”“暗柱”。现浇钢筋混凝土水池最容易在角隅处出现裂缝, 因此必须在池壁转角处、池壁与底板相交处设置“暗梁”“暗柱”。敞口水池顶端也宜配置水平向加强钢筋。敞口水池在温差或地基变形作用下池壁顶端是结构的薄弱点, 宜设置暗梁。水池池壁的拐角, 池壁与顶、底板的交接处, 宜设置腋角。腋角宽度不应小于150 mm, 并应配置构造钢筋, 一般可按受力钢筋面积的50%采用。
[ID:001250]
摘要：根据钢筋混凝土水池结构的特点, 总结设计的方法和注意事项。
关键词：钢筋混凝土水池,结构设计,荷载组合,构造
参考文献
[1]GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].
[2]《给水排水工程结构设计手册》编委会.给水排水工程结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社.
钢筋混凝土水池设计 篇2
东莞市区矩形钢筋混凝土水池震害预测
介绍了钢筋混凝土水池在地震灾害预测工作中的意义,根据前人提出的`钢筋混凝土水池震害预测方法[1],对东莞市的水池进行了震害预测,认为东莞市即使在相当于9度烈度地震作用下,所有水池均处于轻微破坏以下,抗震性能良好.最后提出水池抗震设计方面应注意的一些问题.
作 者：付敏 聂树明 杜鹏 FU Min NIE Shuming DU Peng 作者单位：付敏,FU Min(广州大学土木工程学院,广东,广州,510006)聂树明,杜鹏,NIE Shuming,DU Peng(广东省地震局,广东,广州,510070)
刊 名：华南地震 ISTIC英文刊名：SOUTH CHINA JOURNAL OF SEISMOLOGY 年，卷(期)：2008 28(3) 分类号：P315.9 关键词：东莞市 矩形钢筋混凝土水池 震害预测后张预应力混凝土水池类结构设计 篇3
关键词：预应力；水池；结构设计
中图分类号： TB21文献标识码：A文章编号：1674-0432（2010）-12-0335-2
0 引言
适用性：預应力水池可以浇注成任何形状以适应于场地及工艺的需要。
经济性：预应力钢绞线（抗拉强度设计值为1860Mpa）比普通钢筋（抗拉强度设计值为235Mpa）强度高很多。因此，预应力水池的底板、池壁和顶板可以设计的很薄。而且可以取消全钢水池高额的周期性防腐费用。
防水性：预应力水池取消了温度伸缩缝、施工缝。特别是取消了底板中缝（渗漏很普遍）并对底板施加预应力，可最大限度地提高水池的防水性能，彻底避免水池的渗漏问题。
长期耐久性：预应力可避免混凝土的收缩裂缝，因此可保护普通钢筋。同时，由于有粘结和无粘结钢绞线都有钢管或高密度聚乙烯塑料管等不透水材料包裹，因此，预应力钢绞线被腐蚀是不可能发生的。
施工周期短：预应力水池底板没有温度伸缩缝，因此可一次浇注完毕。一般100mm×100m的水池底板可在24小时内完成混凝土浇注。池壁可分段或一次浇注完毕，顶板可一次浇注完毕。因此，预应力水池比普通水池施工速度快。
正是由于预应力水池的上述特点，它在全世界越来越受到广泛的赞誉，特别是一些有远见的业主和工程师都愿意用后张预应力技术来解决水池渗漏这一世界难题。本篇文章给出的多个新颖的预应力水池结构是由美国克罗拉多州丹佛市Jorgensen&Close结构工程设计公司设计的。该结构设计公司一直是世界范围内预应力水池结构设计的领导者。
1 圆形水池
近一段时期，预应力水池只应用于圆形水池中。从1964年起Jorgensen & Close 结构工程设计公司在世界五个国家共设计过125个预应力圆形水池，容积从10万到1亿加仑。这些预应力圆形水池主要用于清水池、沉淀池和消化池。
2 带圆角的矩形清水池
Jorgensen&Close结构工程设计公司为俄亥俄州、哥伦布市的Hap Cremean净水厂设计了6个预应力水清水池，其总容积超过4800万加仑。原来设想用圆形预应力水池，这是当时普遍采用的。但后来发现没有足够的场地来建造圆形的水池，只能采用矩形水池。经过仔细研究Jorgensen&Close结构工程设计公司提出了矩形水池加圆角的预应力水清水池方案。这样，带圆角的矩形预应力水池的施工就象圆形水池一样容易。根据带圆角的矩形预应力水池这一有划时代意义的概念，原来预想的两个圆形水池被设计成了5个带圆角的矩形预应力水池，很好地适用了该水厂狭小的场地。详见图1，图中显示的是4个带圆角的矩形预应力水池不同施工阶段的情况。图2显示的是中国大连市79m×29m×6.9m带圆角矩形预应力清水池的施工情况。
3 敞口矩形预应力水池
后张预应力混凝土特别适用于大型敞口矩形污水处理水池，如：曝气池、反应池、SBR池等。这样的预应力水池的平面尺寸已超过100m×100m以上。此外，Jorgensen&Close结构工程设计公司与中国市政工程东北设计研究院设计的预应力水池采用整体设计施工技术，没有施工缝，没有温度伸缩缝或后浇带。预应力混凝土水池不产生裂缝，主要靠对底板、池壁所采取的特殊滑动措施和不同阶段的预先张拉技术。图3显示的是中国哈尔滨市116.0m×61.2m×7.0m矩形预应力曝气池的施工情况。
4 结语
总之，预应力混凝土可以适合于各种水池。预应力水池比传统水池更经济，特别是相对于具有高额防腐涂料的钢结构水池。预应力钢绞线独有的三面防水可以彻底保证钢材不被腐蚀。由于预应力水池取消了施工缝、温度伸缩缝，而且混凝土底板、池壁始终受压，因此，可以最大限度地提高池体的耐久性，使预应力水池的抗渗性得到充分的保证。
浅析钢筋混凝土水池设计要点 篇4
在工业建筑领域, 水池是保证工厂正常运行的不可或缺的构筑物。水池主要由池壁、底板和顶板三种构件构成, 水池依据结构类型的不同分为开敞式、封闭式和半封闭式;依据几何形状的不同可分为:圆形和矩形;依据布置方式的不同又可分为:地下式、半地下式和地上式。水池设计应在满足工艺要求的前提下, 选择合理的结构类型和布置方式尤为重要。因矩形钢筋混凝土水池施工方便且对场地及工艺均有较好的适应性, 在工业建筑中被广泛使用。
1 截面尺寸
水池的整体尺寸由工艺要求、总平面布置等综合确定。根据水池容积选择合理的池壁高度, 然后计算平面尺寸。一般钢筋混凝土水池的池壁厚度不宜小于200mm, 顶板厚度不宜小于150mm。其中, 池壁可以为等截面, 同样也可以做成变厚截面, 中、小型水池一般采用等截面池壁, 较大的水池可采用变厚截面, 以便节省材料使工程更为经济。另外, 底板形式按地基优劣情况和受力性能的不同可分为整体式和分离式。当地下水位在底板以上或地基软弱地区, 宜采用整体式底板且通过计算确定板厚和配筋;当地下水对池体受力影响较小, 或地基为较均匀的中、低压缩性地基时, 宜采用分离式底板且沿池壁作条形基础, 池底的其余部分采用厚度不小于120mm的构造底板, 底板顶面配置不小于Φ8@250的钢筋网。
2 受力体系及简化计算
水池的受力体系不同于一般民用与工业建筑物, 其恒荷载不仅包括自身重量, 还有池内的水压力、池外土的侧向压力以及地基的不均匀沉降等;可变荷载除了顶板活荷载外, 还有地下水侧压力及浮力, 构件的温湿度变化作用等。
2.1 顶板
当池体顶板采用预制板时, 顶板搁置在池壁顶端, 池壁顶端仅预留切口, 此时认为顶板简支在池壁上, 池壁顶端可视作自由端;当预制板与池壁配有抗剪钢筋, 或采用现浇顶板且仅配有抗剪钢筋与池壁时, 此时认为顶板与池壁铰接连接;当顶板与池壁整体现浇且配有受弯钢筋连接时, 顶板与池壁可视为固接, 因为池壁刚度远大于顶板刚度, 所以顶板与池壁也可视为铰接进行简化计算, 但当采用铰接计算时, 偏于安全设计通常按弹性支座配以适当的负筋。
2.2 池壁
池壁的受力体系比较复杂, 池壁承受的荷载主要包括:池外土侧压力、池内水侧压力、池外地下水侧压力及浮力、地面活荷载及温湿度作用产生的应力。除了地上式水池, 池体均承受池外土压力, 土的内摩擦角及其他参数可选取岩土勘察报告中提供的实际数值, 土压力一般采用朗肯土压力理论计算;池内水侧压力作用于池壁内侧, 根据不同的荷载组合选择相应的水位计算;当地下水位在水池底板以上时, 池壁外侧地下水位以下的土的有效重度降低, 同时, 地下水对池体存在浮力, 设计时必须通过抗浮稳定验算确保池体的安全。
矩形水池的池壁转角可看作是池壁间的转角, 池壁的受力钢筋应做可靠的锚固, 以便承担池体侧压力引起的边缘负弯矩, 受力钢筋要达到可靠的锚固, 只能弯折到相邻池壁中, 也就是说池壁受力钢筋相互锚固, 再加上连续配筋和构造配筋, 池壁间可认为固接。池壁与底板整体现浇时, 通常认为池壁底端固接。池壁与底板的边界条件根据两者的线刚度比确定。也就是说, 底板对池壁要达到一定程度的嵌固作用, 因此底板厚度应选取池壁厚度的1.2-1.5倍, 并将底板外挑。
池壁的内力通常按弹性理论计算, 矩形壁板的计算可按混凝土结构矩形板的计算方法划分为单向板或双向板进行计算, 划分方法详见《CESC138-2002给排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》[1]6.1.2条文。
2.3 底板
水池底板作为直接与土体接触的构件, 其不仅要承受池壁、隔墙、柱及顶板等上部结构传来的荷载, 还要承受土的反力以及地基不均匀沉降形成的应力。在计算地基反力时, 池底的地基反力通常按均布考虑, 池内液体的自重可以减小地基反力对底板的影响, 也就是说池内液体对于底板来讲是有利的存在, 因此不把其自重加入计算。因为地基反力的大小及分布情况受很多因素的影响, 所以水池底板的计算过于复杂, 常见的计算方法有倒梁楼盖法和弹性地基梁法。地下水对水池底板的浮力是导致水池底板失稳的主要控制荷载, 设计过程中不容忽视。工程中一般采用在池体底板周边做放大角, 以池底挑出部分的填土的重量来抵消地下水对池体的浮力, 采用增加结构自重的方法是非常不经济。
3 水池裂缝成因及控制方法
钢筋混凝土结构的裂缝分为正常的结构裂缝和破坏性裂缝, 混凝土受拉时往往伴随着变形, 此时就会形成裂缝, 如果产生较小宽度的裂缝且结构件受力性能、使用性和耐久性均不受影响, 这种裂缝就是正常的结构裂缝, 不需对此类裂缝进行加固结构也可正常工作;当裂缝的宽度超过一定的限值, 结构的安全性、使用性和耐久性就会受到影响, 此时裂缝就转变为破坏性裂缝。对于钢筋混凝土水池, 当水池结构构件处于轴心受拉或小偏心受拉时, 应控制抗裂度;当水池结构构件处于受弯、大偏心受压或大偏心受拉时, 应控制裂缝宽度。规范[1,2]中规定钢筋混凝土水池根据盛水性质和使用功能, 最大裂缝宽度不大于0.20~0.25mm。
3.1 荷载作用造成的裂缝
水池在外部荷载作用下, 如果结构的受力性能不足, 就会引起结构的变形, 伴随着裂缝的发生, 并最终发展为破坏性裂缝;此种裂缝产生的主要原因是在设计阶段采用的基础资料有误或设计人员计算疏忽、考虑不周及施工质量不合格等。要控制此类裂缝, 首先要确保用于水池结构设计的基础资料要做到完整、准确, 在掌握了准确可靠的基础资料后, 再建立符合池体结构的正确的计算模型并采取全面合理的荷载工况, 保证水池内力及变形的计算值符合水池的实际工作情况;其次要求设计人员对池体中可能产生最大拉应力的各个截面进行计算分析, 确保能达到裂缝控制的标准。
3.2 混凝土收缩和温湿差造成的裂缝
在硬化期间混凝土内部会放出大量水化热, 结构内部的温度不断上升, 导致混凝土内热外冷, 此时结构表面就会引起拉应力, 表面受拉从而产生裂缝;另外, 由于支座及周边混凝土的约束作用, 混凝土在后期的降温和收缩过程中, 结构内部出现拉应力从而产生裂缝。要控制此类裂缝的发生, 就必须严格按照规范规定, 掌握混凝土配比及其用料的级配和品种规格, 针对大型水池可设伸缩缝, 掺添加剂和设加强带、后浇带等措施。
3.3 由于材料质量和构造不良造成的裂缝
水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂是混凝土的组成材料, 当混凝土用料不当或材料质量不合格时都会使得水池产生破坏性裂缝;设计或施工时没有按照水池构造要求或采用不正确的构造措施, 就会使实际的结构受力性能与设计时的计算模型不符, 结构中形成薄弱部位从而产生破坏性裂缝。
在《CESC138-2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》[1]中, 对水池结构的材料及构造要求给出了相应的规定, 设计时应严格遵守并针对具体项目做出更为合理的要求。
4 结论
综上所述, 水池作为工业建筑中常见的构筑物, 设计不当就会造成结构的不安全或者增加成本, 在水池设计时, 必须以满足工艺条件和保证安全使用为前提, 还必须了解和掌握水池设计的计算方法、构造原理和受力特点, 并选择合理的截面形式、结构形式及荷载工况。综合考虑多种因素, 才能够保证结构的安全使用并节约成本, 取得良好的经济效益。
摘要：针对钢筋混凝土矩形水池结构的特点, 从水池受力特点及构件间多样的节点连接形式, 结合水池的构造措施确定了结构的简化计算模型。介绍了水池裂缝的成因及控制方法。
关键词：水池设计,简化计算,裂缝控制
参考文献
[1]中国工程建筑标准化协会.CESC138-2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2003.
[2]北京市市政工程设计研究总院.GB50069-2002给水排水工程构筑物结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2003.
混凝土水池的裂缝的原因及控制 篇5
关键词：水池 裂缝 控制
在炼化企业中，钢筋混凝土贮液池是一种常见的构筑物，比如污水处理池，污泥池，调节池，蓄水池等。然而钢筋混凝土的裂缝是一个普遍存在的问题，而对于贮液池，由于其使用功能的限制，裂缝是要严格控制的，通常都是通过钢筋混凝土的密实性和水泥的防水性来进行防水，通常不做单独的防水层。
1、混凝土裂缝产生的原因
水池结构裂缝产生的原因很多，引起裂缝有两大类原因，一种由外荷载（如静、动荷载）的直接作用引起的裂缝，大体分为两种情况，一是结构未达到强度设计而受到动载的冲击，形成裂缝，二是结构达到强度设计，因其受到地震荷载或超设计荷载，而引起的裂缝，二者通称为结构性裂缝，其机率约20％；另外一种是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝，其机率约80％。由此可见，第一类裂缝通过我们设计计算以及注意正常使用能够控制裂缝的产生，裂缝发生与材料，设计、施工和维护有关，以下详加叙述。
1.1温差收缩和塑性收缩
温度应力。混凝土内的水泥在水化反应中发散出大量热量，使混凝土升温，并与外部气温形成一定温差，从而产生温度应力。其大小与温差有关，并直接影响到混凝土的开裂及裂缝宽度。
混凝土浇筑以后，水化反应比较剧烈，出现泌水和水分急剧蒸发，引起混凝土收缩，是在混凝土初凝阶段发生的收缩。水灰比过大，水泥用量大，外掺剂保水性差，粗骨料少，用水量大，振捣不良，环境气温高，表面失水大，都能导致塑性收缩导致混凝土表面开裂。
1.2配筋不足
钢筋配筋间距大、配筋率小的混凝土结构开裂多，无筋混凝土比有筋混凝土开裂多。钢筋的位置要正确，保护层过大或过小都可能导致混凝土开裂。
1.3养护条件
养护是使混凝土正常硬化的重要手段。养护条件对裂缝的出现有着关键的影响。在标准养护条件下，混凝土硬化正常，不会开裂，但只适用于试块或是工厂的预制件生产，现场施工中不可能拥有这种条件。现场混凝土养护越接近标准条件，混凝土开裂可能性就越小。
2控制裂缝的方法
规范有严格的裂缝控制要求，w<0.2mm，所以我们必须采取措施来控制裂缝的宽度。一般来讲，水池裂缝的控制通常有以下几种方法：
2.1设计方面
根据《混凝土结构设计规范》7.1.2条，裂缝计算公式可以看出，在相同直径相同配筋率的情况下，截面越高，直径越小，裂缝就越小。
2.1.1构造措施
浅谈钢筋混凝土矩形水池设计 篇6
1.1 池内水压力。
池内水压作为水池类构筑物的主要荷载。在设计过程中,应当偏于安全的按满水高度来计算水压。这是因为:一方面使用过程中很可能由于值班人员疏忽或者存在液位计等部件失灵而造成满池;另一方面今后工艺上有可能技术改造而超过原设计水位。池内水压荷载的取值大小对于挡水墙式浅池的下端弯矩影响较大。
1.2 池外水浮力。
当有地下水时,池壁外侧除考虑地下水的压力外,还应考虑地下水位以下的土由于水的浮力使土的有效重度降低而对土压力的影响。同时,地下水对池体的浮托力也不容小视。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也时有发生。地质勘察报告所提供的地下水位一般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。根据实际情况,结合地方水文资料,确定一个合适的地下水位标高做设计地下水位,做到既保证使用阶段结构安全和不利情况抗浮安全,又能降低工程造价双赢的目的。笔者在设计黄骅港某水厂设计大型清水池时,遇到了地下水位特别浅的问题。该水池采用无梁楼盖设计,在计算水池抗浮过程中,还存在有局部抗浮的问题。设计过程中,覆土厚度增加到1.5m还不能满足要求。这时候,考虑到是否考虑每年检修安排在冬季枯水位时,这样设计所采用的低地下水位标高就能保证正常生产、检修,从而很好的解决了水池抗浮的问题。
1.3 温、湿度作用。
由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺特殊要求以及季节变化等,造成池壁产生膨胀或收缩。当变形受到约束时,在池体中产生相应的的温度和湿度变形应力,很容易产生有害裂缝。设计时,对夏季应考虑湿差作用,对冬季应考虑温差作用。前者低温收缩与湿涨抵消,后者由于外界气温低,池壁中水分向外移动,致使外侧湿度增加。由于内外侧湿度相差不大,通常可以不考虑此时的湿差应力。但内外温差还在,冬季应考虑壁面温差应力。在工程设计中按规程提供的方法计算。
2 水池壁板边界条件的分析
池体结构一般由池壁、底板和顶盖(是否封闭加盖由工艺需要决定)所组成。合理的选择结构计算简图和计算公式才能保证结构设计的准确、可靠。水池内力分析计算时,尽量做到边界条件的假定与实际情况相符。
当水池设有顶盖时,池壁顶端的边界条件应根据顶板与池壁的连接构造来确定。当池壁线刚度为顶板线刚度的5倍以上时,可假设池壁顶端为铰支,否则应按弹性固定计算。而开敞式水池的池壁边界条件可假定为三边支承,顶边自由的板。比较两种边界条件假定的内力计算结果,设置顶盖的池壁所承受的弯矩要小很多。因此当采用顶盖结构有困难时,应尽可能从池壁挑出走道板。走道板满足规程要求时,可以假定为不动铰支承,否则可按照弹性支承计算。池壁与底板整体浇筑时,也应根据两者的线刚度比确定池壁底端的边界条件。规程中规定,底板的抗弯刚度10倍于池壁的抗弯刚度就可以满足作为嵌固端的要求。底板对池壁的嵌固作用效应的程度与池壁高度有关,也与底板单位截条的弹性特征有关,而底板单位截条的弹性特征又与底板的厚度、地基的基床系数有关,还与材料的弹性模量有关。规程规定,当满足嵌固要求时,底板厚度选取为池壁厚度的1.2-1.5倍。当土质较好,比如密实性土壤时采用1.2倍池壁厚度;当土质一般,比如中等密实性土壤时,采用1.5倍池壁厚度。
3 底板内力计算模式的选择
3.1 对于池体容积小,短跨尺寸在6m以内时,计算底板内力可以按地基反力直线分布计算。
一般情况下,直接作用于底板上的池内水重和底板自重与它们引起的那部分地基反力直接抵消,而不产生弯曲应力。只有由池壁和池顶、支柱作用在底板上的力所引起的地基反力才会使底板产生弯曲应力。当存在多格水池分格盛水时,地基反力可按照局部均布荷载下的直线分布的原则计算。此时应分格满池最不利布置按照单向板或双向板进行静力结构计算。
3.2 当池底为软土地基或板的跨度较大,根据上一种计算模式,
不考虑弹性地基上的地板在荷载作用下的弹性变形,也不顾及地基土的弹性沉陷。底板跨中的最大弯矩等于简支底板的跨中弯矩加上池墙荷载底端的固端弯矩。按以上弯矩进行配筋,底板上表面的配筋很大,下表面为构造配筋。有时底板上表面的配筋往往达到让人无法接受的程度。工程实际计算结果,底板的内力(弯矩)上底板下表面内力大,配筋应该多,上表面除在纵墙附近处可为构造配筋。因此,对于上述情况设计时,应采取单位截条,将构筑物内外墙作为集中力按弹性地基梁进行内力分析。此时考虑地基变形影响,按文克尔假定或半无限弹性体假定计算,两者均可以查表或软件计算。
4 构造措施
4.1 池壁、底板的受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距,尽可能采用采用HRB335和RRB400级钢筋。
水池各部位的钢筋间距应在100-250mm范围内。如果钢筋间距太密,会影响混凝土振捣,而钢筋间距太大,容易产生裂缝。
4.2“暗梁”、“暗柱”。
现浇钢筋混凝土水池最容易在角隅处出现裂缝,因此必须在池壁转角处、池壁与底板相交处设置“暗梁”、“暗柱”。
敞口水池顶端也宜配置水平向加强钢筋。根据规程第7.1.7条的规定要求,敞口水池在温差或地基变形作用下池壁顶端是结构的薄弱点,宜设置暗梁,高度不得小于池壁厚度,内外侧各配置不小于3准16的受力水平钢筋。
4.3 在水池四周设散水坡,防止地面水渗入引起地基不均匀沉降。
北方地区的沉淀池等应做成封闭式,以防冬季水池上部结冰,发生冻胀水池的事故。
摘要：钢筋混凝土矩形水池作为常见的特种结构类型,被广范应用于工业与民用建筑的给水、污水、消防工程中。因此在满足水工艺要求的前提下,既保证今后的正常生产使用,又降低工程造价,是设计人员面临的主要任务。下面就设计中经常遇到的一些问题,提出几点看法。
关键词：矩形水池,设计,要点
参考文献
[1]CECS 138:2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.
探讨钢筋混凝土矩形水池结构设计 篇7
钢筋混凝土矩形水池作为特种结构, 被广范应用于工业与民用建筑的给水、消防、排污工程中。钢筋混凝土矩形水池 (以下简称水池) 池体结构一般由池壁、底板和顶盖 (是否封闭加盖由工艺需要决定) 所组成。水池按有无顶盖, 可分为无顶盖的开敞式池、有顶盖的封闭式池和带走道板的半封闭池;按安置方式, 可分为地上式、半地上式、地下式。
1 水池荷载的计算及内力组合中值得注意的问题
1.1 水池荷载分类及选用
1.1.1 池顶荷载对于有顶盖的封闭式水池, 应计算作用于池顶
板上的竖向荷载, 主要包括顶板自重、防水层重、覆土重、雪荷载和活荷载。雪荷载和活荷载不同时考虑。
1.1.2 池壁荷载作用在池壁上的荷载可分为池内水压力、池外土压力和地下水压力。
池内水压是水池承受的主要荷载之一, 一般偏安全地按满池来计算水压。一方面, 工艺上有可能挖掘潜力超过原设计水位:另一方面, 一旦误操作而造成满池时可保证结构的安全。对于地下式或半地下式水池, 土对池壁有侧压力, 侧压力通常用朗肯主动土压力理论计算。土的各参数可按岩土勘察报告所提供的实际数值取用。但在初步设计或缺乏资料时, 土的内摩擦角可取30, 土的重度可取18。当地面无堆载时, 地面活荷载可按1.5～2.0KN/m2考虑。
1.1.3 温、湿度荷载由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺要求以及季节变化等, 造成池壁产生膨胀和收缩。
当变形受到约束时, 在池体中产生相应的温度或湿度应力。温度应力和湿度应力是导致混凝土池壁产生裂缝的主要原因, 对于冬夏季或早晚温、湿差大的地区, 温、湿度荷载计算是不可忽略的。温、湿度荷载所产生的内力计算是相当复杂的问题, 实际工程中。
1.2 荷载组合水池设计中通常考虑以下3种荷载组合:
(1) 池内水压+自重 (对应工况为:池内有水, 池外无土) (2) 池外土压+自重 (对应工况为:池内无水, 池外有土) (3) 池内水压+自重+温、湿度荷载第 (1) 组合为地上式水池的必需组合, 第 (1) 、 (2) 组合是半地上式水池和地下式水池的必需组合, 第 (3) 组合用于冬夏季或早晚温、湿差大的地区, 并且没采区任何保温措施的水池。
2 水池内力计算中值得注意的问题
水池的内力计算主要包括池壁内力计算和底板内力计算。不同边界条件和地基反力模型的选取, 对水池的内力计算结果有很大的影响, 下面分别谈一谈池壁和底板内力计算的方法及其中应注意的问题。
2.1 池壁的边界条件假定和内力计算
2.1.1 池壁的边界条件假定及应用:
(1) 开敞式水池池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边自由的板。 (2) 有顶盖的封闭式水池池壁, 视其与顶板的连接情况, 池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边铰接 (或弹性支承) 的板。当池壁与顶板整体连接, 且池壁线刚度为顶板线刚度的5倍以上时, 可假设池壁顶端为铰接, 否则为弹性支承。
2.2 底板内力计算
2.2.1 地基反力的分布规律及底板内力计算的常用方法
在地基反力作用下, 池底可视为简支于池壁上, 池壁间距对池底反力分布有影响, 图一表示当水池池壁和底板截面相同, 地基条件相同下, 改变池壁间距, 保持基底平均反力不变, 竖向位移与反力变化趋势图。当池壁间距小至使两邻池壁刚性角重叠时, 变形与反力比较均匀, 不计弯矩 (图一a) 。当池壁间距增大, 变形与反力的不均匀分布愈加显著 (图一b) , 甚至可能出现跨中反向挠曲引起与地基脱开现象, 反力向池壁下集中 (图一c) , 前者可以按地基反力为线性分布进行计算, 而后者弯矩的变化已不可忽视。
实际工程中, 常采用静力平衡法或考虑池底与地基相互作用的内力分析方法来计算水池底板内力。当使用静力平衡法计算时, 假定地基反力按线性分布, 只要求满足静力平衡条件, 乎略变形协调条件, 所以计算结果是相当近似的, 此法适用于计算池型小、容积小的小型水池, 是一种适宜手工计算的简便方法。当使用考虑池底与地基相互作用的内力分析方法时, 地基反力模型一般采用Winkler弹性地基模型 (Winkler弹性地基模型假设, 地基表面某点的沉降与其他点的压力无关, 把地基土体划分成许多竖直的土柱, 每条土柱可用一根独立的弹簧来代替, 如果在这种弹簧体系上施加荷载, 则每根弹簧所受的压力与该弹簧的变形成正比) , 这种模型主要是以模拟天然地基土在荷载作用下实际应力一应变关系从而比较准确地解决变形协调关系, 得到接近于实际的反力分布和变形规律, 但在求解过程中采用了数学解析法和数值计算法, 计算繁琐, 必需借助计算机进行数值计算。近年来, 一些专家借助于计算机分析, 给出了适合手算的Winkle r弹性地基上矩形水池的计算用表, 为设计人员用此法进行手工计算带来了方便。
3 重视水池的构造措施
矩形水池实际是空间结构体系, 其自身约束和外界条件的约束都十分复杂, 除了通过计算来满足水池的强度、稳定和裂缝宽度要求外, 更应该采用构造措施, 加强结构的整体刚度, 增强其防水、抗渗和耐冻性能, 所以必须重视水池的构造措施。在设计中应采用以下措施: (1) 为保证施工中捣制混凝土的质量, 避免渗水, 池壁和底板的厚度宜≥200mm。 (2) 池壁、底板的受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距, 对于直径≤10的钢筋采用HPB235级钢筋, 对于直径>12的钢筋采用HRB335级钢筋。 (3) 为保证池壁与池壁、池壁与底板为刚性连接, 避免应力集中, 增强连接处的抗裂性, 连接转角处应设457腋角, 并在腋角内配附加筋巾10@200。 (4) 采用合理的结构布置和围护措施, 在水池内外表面抹防水砂浆面层, 以减小温湿度对结构的影响, 并加强整体刚度及保温防寒。 (5) 在水池四周设散水坡, 防止地面水渗入引起地基不均匀沉降。
4 结语
上文分别从荷载计算及内力组合、内力计算、构造措施三个方面, 谈了水池结构设计时应该注意的细节问题。综上所述, 只有选取合理的结构方案, 假定边界条件时应尽量与实际情况相符合, 应用正确的结构计算简图和计算公式, 并结合水池这种特种结构的构造特点, 才能把钢筋混凝土矩形水池设计得更加可靠和经济。
摘要：本文探讨了水池结构设计的方法和特点, 从荷载计算及内力组合、内力计算、构造措施三个方面提出了设计中一些值得注意的问题.从而使钢筋混凝土矩形水池设计的更加可靠和经济, 供同行参考。
钢筋混凝土水池设计 篇8
1 伸缩缝
1.1 伸缩缝设置原则
在设置伸缩缝时, 要遵循以下原则:第一, 伸缩缝设置时, 需考虑结构的整体布置, 使分缝后的每个部分达到受力均衡;第二, 在工作过程中, 对于伸缩缝要做好严格的保护, 不仅在强度、防腐性能、卫生状况要满足既定的要求, 而且在耐温性能上, 水密性能上, 耐久性上也要得到保证;第三, 伸缩缝的间距, 要考虑到多方面的情况, 其中包括温差, 湿差, 水池的形状, 施工过程等各个因素的影响, 而且, 伸缩缝要在立面上通高设置;第四, 伸缩缝的宽度, 要依据实际的伸缩变形量来选择, 但是总的来说, 伸缩缝的宽度设置在30毫米到50毫米之间。
1.2 伸缩缝节点详图
止水带, 嵌缝材料, 填缝板是伸缩缝的重要组成部分。根据止水带设定的方式, 可分为埋入式和外贴式两种。如图1所示。
1.3 伸缩缝的主要组成材料
1.3.1 止水带
止水带是伸缩缝中最主要的隔水材料, 其工作位置横跨伸缩缝而截断渗径。
止水带分为刚性止水带及柔性止水带。由于刚性止水带在接长时加工不便且变形时适应性差, 目前已很少采用;柔性止水带主要由橡胶类材料制造, 具有接长方便、对变形的适应性强, 并易于加工成与混凝土咬接牢固的各类埋入式或外贴式止水带。
1.3.2 嵌缝板
嵌缝板的作用是在缝隙中作为嵌缝材料的支承材料, 并防止缝外的砂砾和碎石等硬质材料进入缝隙中妨碍缝隙的张合变形。
嵌缝板的材料通常有发泡橡胶或塑料和软木质材料。
1.3.3 嵌缝材料
嵌缝材料的作用是封闭缝的表面, 在伸缩缝表面形成防渗屏障。
由于嵌缝料对尺寸要求精度较高, 因此目前一般采用注入器施工, 用注入器施工的嵌缝料通常有聚硫橡胶、聚氨酯和硅胶等。
2 后浇带、膨胀加强带
后浇带, 膨胀加强带设置时, 要注意以下这些问题:第一, 后浇带或加强带应尽量设置在水池的中间, 且间距不宜大于规范对伸缩缝的间距要求。第二, 要分清楚后浇带和加强带之间的区别。后浇带是在带两侧先浇筑混凝土, 待两侧混凝土浇筑45~60天后采用比两侧强度高一级的无收缩或微膨胀混凝土进行带内浇筑。膨胀加强带有三种, 分别是连续式膨胀加强带、间歇式膨胀加强带和后浇式膨胀加强带, 目前主要是采用连续式膨胀加强带。采取膨胀加强带措施的水池需在整个结构中添加膨胀剂, 其中带内膨胀剂掺量一般为10%~12% (等量替代水泥) , 带外膨胀剂掺量一般为6%~8% (等量替代水泥) 。第三, 带宽一般为1~2m。为了大家更好的理解后浇带和加强带, 图2展示了后浇带和膨胀加强带的节点。
3 预应力混凝土结构
预应力结构要注意以下问题:第一, 在超长混凝土水池的设计施工过程中, 充分利用无粘结预应力技术, 对易导致混凝土水池发生裂缝的应力和分布位置进行研究, 在这些位置放入预应力钢筋, 以此来防止裂缝的发展。在预应力发挥作用的过程中, 还要利用补偿收缩的方法, 这样可以使超长混凝土水池摆脱对伸缩缝的依赖。第二, 在采用无粘结预应力技术的过程中, 要利用高强度的钢筋材料以及高强度的混凝土。其具体施工如下:首先, 对预应力钢筋进行锚固工作, 这样可以使混凝土构件获得张拉力。其次, 在无粘结预应力施工的过程中, 没有穿筋灌浆的工序, 也没有必要设置预留的空间, 这样就使得整个工序简单化;再者, 在处理预应力钢筋的过程中, 电热张拉的方法和机械张拉的方法可以得到应用。为了使大家更好理解无粘结预应力混凝土的施工情况, 图3予以展示。
4比较三种方法的优缺点
4.1设置伸缩缝。
优点:1) 可以有效解决温度应力和混凝土构件产生的伸缩应力的问题, 2) 可以让每个个体受力明确, 3) 适用范围广, 能够适应各类的水池。
缺点;1) 止水带一般采用橡胶制成, 在使用一段时间后, 由于橡胶老化及伸缩缝两侧的不均匀沉降导致止水带的破损, 使设置止水带的地方经常发生渗漏, 在高温水池中发生概率更大, 而且由于止水带无法更换, 一旦发生止水带破损导致的渗漏, 很难处理;2) 结构的整体性能差, 无法适应复杂构筑物及地质情况。在水池设计时, 仅9度区需考虑抗震计算, 而在这方面的抗震性能达不到高标准。。
4.2 后浇带或膨胀加强带
优点:1) 避免了伸缩缝, 使得结构的整体性能增强。2) 解决了混凝土的收缩应力。
缺点:1) 后浇带施工周期长, 且后浇带需放置45~60天后再施工, 这样使带内经常有难以清除的建筑垃圾, 且在浇筑后浇带时, 需对两侧混凝土凿毛, 不方便施工;2) 后浇带浇筑后, 通常会在带两侧形成两道通长的施工缝, 常常成为渗漏的重灾区。3) 膨胀加强带没有后浇带的缺点, 但造价较高。4) 这两种方法无法解决温度应力的问题, 温度应力还是需要通过计算解决。这就导致其只能够用在温差较小的水池中。
4.3 预应力技术
优点:1) 水池的抗震性, 整体性, 耐久性大幅度提高;2) 利用无缝技术, 解决了渗漏的问题;3) 适用于各种类型的水池。
缺点:1) 由于是新兴技术, 对施工技术的要求比较高;2) 水池壁厚较薄, 不便于锚具的固定, 3) 工程的投资金额较大。
结语
综上所述, 在超长混凝土水池的设计过程中, 要根据实际的情况选用不同的方法, 或将几种方法结合起来, 才能使超长钢筋混凝土水池的设计达到使用要求, 避免出现过大的裂缝, 并获得比较好的经济效益。
摘要：温度应力及收缩应力是超长钢筋混凝土水池出现裂缝的主要原因, 减小超长混凝土水池出现裂缝的方式有计算、构造措施, 其中主要构造措施有四种, 即伸缩缝, 后浇带, 膨胀加强带和预应力技术。本文具体分析这四种方法的设置原则和注意事项, 对于它们的优缺点一一道明, 希望在超长钢筋混凝土水池的设计中对大家有所启发。
关键词：超长钢筋混凝土水池,伸缩缝,后浇带,加强带,预应力水池
参考文献
[1]SH/T 3132-2002, 石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范[S].
[2]DL/T 5215-2005, 水工建筑物止水带技术规范[S].
[3]CECS 117:2000, 给水排水工程混凝土构筑物变形缝设计规程[S].
[4]JGJ T92-1993, 无粘结预应力混凝土结构技术规范[S].
[5]给水排水工程结构设计手册 (第二版) [M].北京:中国建筑工业出版社.
钢筋混凝土水池设计 篇9
关键词：水池,设计模型,优化
1 引言
圆形钢筋混凝土水池和矩形水池相比,具有受力均匀、构造简单的优点,广泛应用于调节池、贮水池、澄清池等水工构筑物中。对于地下或半地下圆形钢筋混凝土水池,外侧土压力及水压力作用在池外壁上,使侧壁环向均匀受压,能充分发挥混凝土抗压强度高的优点。圆形钢筋混凝土水池用料一般比同容积的矩形混凝土水池少,具有较好的经济性。
圆形钢筋混凝土水池顶板的常见形式有敞口、走道工作板连接、顶板与池壁以抗剪钢筋连接、顶板与池壁整体现浇并连续配筋等。对走道工作板连接及抗剪钢筋连接,可按照铰接节点模型计算;对整体现浇并连续配筋的顶板及池壁连接节点,可视为弹性固定支承节点模型,按弹性固定端计算。顶板可根据受力情况及结构布置,查静力手册或采用平面板计算软件快速计算,而对池壁和底板,情况就相对要复杂一些。本文也侧重讨论圆形敞口平底水池池壁(圆柱壳)和底板计算中的一些相关问题。
对于大型构造复杂水池,应根据受力模型采用可靠准确的计算机分析软件进行计算,如ANSYS、ABAQUS等,但对于一些常见的构造规则的中小型水池,也可根据池壁及底板受力情况采用《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS 138:2002,简称《规程》)及《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)给定的公式来进行快速准确的计算。
2 侧壁计算模型及特点
对承受侧向荷载的池壁,可先计算出圆柱池壁的弹性特征系数S=0.76(Rh),根据H/S值确定侧向池壁的受力条件,其中R、h、H分别为池壁计算半径、池壁厚度及池壁高度,如图1所示。当H/S≤1时按照竖向单向受力计算,当1<H/S≤15时应按壳体计算环向和竖向内力,当H/S>15时,对于顶端无约束的敞口钢筋混凝土水池,H/S>15的部分可圆柱壳按照无约束的自由圆柱壳计算内力。常见圆形敞口水池可根据H2/(2Rh)值,按照顶端敞口下端固接模型查阅相关计算手册来计算圆柱壳体内力。对于常见的1<H/S≤15区间需计算环向力及竖向力的柱壳体,环向拉力(单位长度)最大值Nmax通常出现在半高附近,即0.4H～0.75H之间。图2所示为一H2/(2Rh)=6的敞口圆柱池壁在图1所示荷载作用下的池壁环向正应力分布图(设拉应力为正)(见图2)。这时池壁厚度一般由环向拉力决定,初步设计时可按照Nmax/h≤ftc及池壁构造最小厚度来估算壁厚hmin(即先不考虑钢筋的抗拉作用,ftc为混凝土抗拉强度设计值),然后根据偏心受拉构件验算池壁最大拉应力、抗弯及抗剪强度。对一般非预应力混凝土水池,若壁厚h小于hmin,池壁本身截面偏小,需配置较多的环向受拉钢筋;若大于hmin太多则混凝土及钢筋抗拉强度未得到充分利用,存在一定程度的浪费,都不经济。通常池壁环向配筋由环向最大拉应力Nθma x决定,竖向钢筋由竖向抗弯计算和构造要求(高度和池壁半径比较小时)决定。图3所示为H2/(2Rh)同样为6的顶端自由底端固支圆柱壳池壁在图1所示荷载作用下的竖向弯矩图。如图所示,竖向弯矩最大值也常出现在池壁中下部附近,池外壁受拉;在池壁与池底相交处则内壁受拉。对于侧壁出挑悬挑板的池壁,还应计及悬挑板对池壁的作用弯矩。对于储液构件,还应计算标准荷载作用下的最大裂缝宽度并应符合0.2mm(对污水处理构筑物)或0.25mm(对清水池、给水水质净化处理构筑物)的规定。
3 池底板计算模型及特点
现浇圆形池底板通常可看成弹性固支于池壁承受竖向荷载,其受荷简图如图4所示。图中,G1为池壁及其附属构件自重;qs为底板周边土自重压力;qw与q0分别为池内水压力和地基土及地下水向上反力。对于均匀土质,底板自重不引起自身内力,计算底板内力时不考虑其作用。通常水池有多种受力状况,如池内满水池外无覆土,池内满水池外有覆土有地下水,池内无水池外有覆土有地下水,池内无水池外无覆土无地下水,或池外地下水高过池内水位甚多等使用状况。在计算底板内力时,应根据不同受力使用情况确定该部位的最不利受力使用状况。例如计算底板上层配筋时,当池外有覆土有地下水而池内无水时,底板上表面受力最不利,此时应根据该使用工况计算上底板受力;对下底板面固端,池内无水池外有覆土及地下水和池内有水但水位低于地下水位两种状况均有可能是最不利工况;对底板悬挑端,池内无水池外有覆土及地下水和池内有水且水位高于地下水位两种状况均有可能是最不利工况,应该通过计算比较确定。
在底板与池壁相交节点处底板还承受由池壁传来的部分弯矩,该弯矩由底板及池壁抗挠刚度分配。《规程》给出了底板及池壁的边缘抗挠刚度计算公式,如下:
对圆板:Sp=0.1Echp3/R
对池壁:Sw=k Ech3/H
式中,k为池壁刚度系数,可根据《规程》表6.2.8查出;hp为圆板厚度;Ec为混凝土弹性模量;h、R、H同图1。我们可以试算一下常见水池池壁及底板边缘抗挠刚度比大致在什么数值。设hp=400mm,h=300mm,H=8m,R=10m,H2/(2Rh)=10.7,查《规程》,k=1.05,Sp=0.1Ec1×0.43/10=6.4×10-4Ec1,Sw=1.05Ec2×0.33/8=3.54×10-3Ec2,设池壁和池底混凝土等级相同,即Ec1=Ec2,则池壁和池底板刚度比Sw/Sp≈5.5,底板承受1/(1+5.5)≈15%节点不平衡弯矩,因此,通常该节点在简化计算时池壁是可以看作底板的完全固定支承。计算时可先按照完全固定端计算出池壁及底板嵌固端弯矩,再根据池壁及底板刚度比分配节点不平衡弯矩,分配所得弯矩再加上计算得出的完全嵌固弯矩即为各自最终设计承受弯矩(应注意弯矩相加时各自的正负号,异号相减)。根据《规程》,对底板完全嵌固时端部弯矩可按照周边固定支承钢筋混凝土圆板弯矩计算公式Mr=(7-19ρ2)qR2/96及Mt=(7-9ρ2)qR2/96计算,其中Mr为底板径向弯矩,Mt为底板切向弯矩,ρ为圆心至计算点距离r与圆板计算半径R的比值,当ρ=0时为圆心,当ρ=1时为圆板支承端。根据该公式,当ρ≈0.607时Mr=0,即对承受均布荷载边界完全固定端圆板,在离圆心0.607R的地方径向弯矩开始出现正负分界点,如图5所示。得到零弯矩点位置对优化底板钢筋配置很有指导意义。即对于承受均布地基土及地下水反力的圆形固端底板,当0≤ρ<0.607时上表面受拉,下表面受压;当0.607<ρ≤1时上表面受压而下表面受拉。这样除了上表面中心受拉区域和下表面支座周边受拉区域应按照计算配置径向钢筋外,底板其他非承受拉应力部位可仅仅配置径向构造钢筋。这样分区域的配筋既满足了受力和构造要求,又节约了钢筋用量,做到了不浪费。
在圆形底板实际设计施工中,浇筑圆形底板前尚没有绑扎池壁钢筋及浇筑池壁,底板钢筋通常直接伸至底板外挑部分,而不是将底板钢筋截断弯起锚入池壁。这样的实际构造和固端模型的计算假定有一定的差别。对底板抗裂要求较高的大中型水池,在计算圆板上表面内力时,可将按固端板计算所得上表面跨中弯矩乘以1.1～1.2的放大系数,以计及这种实际节点构造差别带来的不利影响。对底板下表面,这种差别带来的影响是有利的,通常可作为安全储备忽略不计。
4 构造要求及应用实例
混凝土池壁厚度应符合抗渗混凝土最小厚度的要求,并根据所承受静力水头高度H和池壁厚度h之比值选定混凝土的抗渗等级。对于外露水池,寒冷地区混凝土还有抗冻性的要求。为了抵抗混凝土收缩对抗渗性能的影响,可掺入适量的膨胀剂。对一些较大的混凝土水池池壁,上下可采用不同界面厚度,在中下部环向受力较大部位可采用较厚侧壁,并于池壁与底板节点处设置腋角。考虑池体抗裂及使混凝土振捣密实,《规程》还规定受力钢筋每米不少于4根,并不多余10根。为了方便施工,池壁横向钢筋通常放置于竖向钢筋外侧,并宜采用焊接接头(等强度对接),不宜采用搭接接头。为了抵抗温度湿度变化在池顶的作用,以及池顶的环向拉力,敞口水池壁顶端应设置不小于6根环向加强钢筋,间距不大于100mm,直径不小于16mm,并且不小于池壁受力钢筋直径。
对现浇圆形受力底板,厚度通常不应小于200mm。底板钢筋可按照环向和径向布置,在圆板中心0.2R～0.3R范围内可改成方格网式配筋。除了满足计算要求,单面配筋率不应小于0.15%。对于受力较小的圆形底板,可按照根据受力区域全板面采用方格网式配筋。经计算对直径14m的圆板,当配筋要求相同时,全板面方格网式配筋约比径向环向配筋方式省筋15%左右,具有一定的经济性。
我公司曾设计河南洛阳市某现浇混凝土结构厌氧发酵池,内径24m,高度8m,埋地3m,不需考虑地下水浮力。池体及底板采用C30混凝土,抗渗等级S6。为抵抗混凝土自身的收缩影响及增强池体本身抗渗性能,混凝土中掺入10%水泥用量的UEA膨胀剂。池壁计算模型为底端固定上端自由圆柱壳构件,池壁厚度根据环向受拉决定,壁厚上部3m采用300mm,下部5m采用400mm。池底板采用等厚度400mm,外挑600mm,并于底板靠池壁内侧受力较大部位设置宽度1m,高度300mm混凝土护坡(即底板加腋),表面配筋率与底板上表面相同。池壁环筋对下部400mm厚部分采用Φ14mm@100mm,上部300mm厚采用Φ14mm@150mm,并于顶端设置8mmΦ16mm构造钢筋。经计算池壁属小偏心受拉构件,最大边缘正应力σmax小于αctftk,完全满足池壁偏心受拉抗裂计算及强度计算要求。由于池壁竖向弯矩计算所得配筋小于构造配筋,考虑储液构件抗裂需要,池壁竖向钢筋采用构造配筋Φ14mm@150mm。池底板基本计算模型为一周边固定圆板承受均布荷载,在计算底板上表面跨中内力时乘以1.1的修正系数,以考虑底板钢筋不锚入池壁对节点扭转刚度削弱的影响。而对底板下表面,按照完全固定端计算支座弯矩时是偏于安全的,因此不计其作用。池底板上表面0.3R范围内配Φ16mm@100mm双向钢筋,满足空池时自重作用下(此时对底板上表面抗裂最不利)底板上表面裂缝0.2mm的控制要求。上表面其余区域由内向外则采用环向Φ16mm@150mm(有较小拉应力部位)及Φ14mm@180mm(无拉应力部位,构造配筋),径向Φ16/14mm@200mm。底板下层筋在池壁支座附近采用Φ16mm@100mm径向钢筋及Φ16mm@150 mm环向钢筋(计算时考虑底板加腋厚度),受力较小部位在中间0.3R范围内配置Φ16mm@200mm双向筋,其余配置Φ16mm@200mm径向筋及Φ16mm@150mm环向筋。这样的钢筋布置在满足了受力计算需要及构造要求的同时,做到了经济合理,节省了工程造价。
参考文献
【1】张光斗.圆筒钢筋混凝土薄壁池的内力计算[M].北京:水利电力出版社,1978.
【2】给水排水工程结构设计手册编委会.给水排水工程结构设计手册(第二版)[K].北京:中国建筑工业出版社,2007.
【3】建筑结构静力计算手册编写组.建筑结构静力计算手册[K].北京:中国建筑工业出版社,1993.
【4】CECS138:2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].
【5】GB50069-2002给水排水工程构筑物结构设计规范[S].
LNG工厂事故水池的设计探讨 篇10
关键词：LNG工厂；事故水池；容积；计算
1.前言
为防范天然气工厂在发生事故或事故处理过程中，因物料泄漏所产生的可燃、有害液体对周边水环境造成污染和危害，应在天然气工厂设置事故水池，收集事故状态下的废液。本文以工程实例来探讨LNG工厂中事故水池的设计。
2.项目简况
2012年，我院设计渭南卤阳湖某LNG调峰站项目。项目分两期建设，一、二期设计规模均为日处理原料气30×104m3，设计只考虑一期。
项目采用氮甲基二乙醇胺（MDEA）溶液脱CO2、分子筛脱水、专用吸附剂脱汞等工艺，将天然气所含杂质脱除至设计指标。采用混合制冷工艺将天然气液化。
项目总图分区：LNG罐区、装车区、工艺装置区、生产辅助区、生活区。
3.设计事故水池的必要性
LNG工厂的废水可能含有MDEA、导热油及其他烃类物质。当发生火灾、爆炸、泄漏事故时，若不能有效收集，会对环境造成负面影响，尤其是地表水环境。
事故废水收集池（简称事故水池）是地表水环境风险防范措施的一个重要组成部分。主要作用是在事故状态下，对短时间内产生的大量废水起缓存作用，确保废水在事故状态下处于受控状态，防止对江河湖海和地下水的污染。其形式可以是围堰、集水池、其他排水构筑物、专用事故水池等。
4.LNG工厂事故污水的形成与收集
在火灾事故状态下，LNG工厂产生废水的区域主要有LNG罐区、工艺装置区、装车区。事故废水主要由事故废液、消防废水、事故期间雨水等组成。
（1）LNG罐区
罐区布置两座5000m3LNG储罐。LNG无毒、无腐蚀性。发生火灾时，储罐喷淋装置启动喷水冷却，同时罐区周围的水枪（水炮）、高倍数泡沫发生器也向罐区内喷水和泡沫，防止火灾蔓延。在此过程如有降雨，则与消防水产生同样效果。
罐区四周设有围堰，可收集事故状态下罐区内产生的事故废液、消防废水及雨水。根据相关规范计算，消防水量为3636m?。
（2）工艺装置区
此区域发生火灾时，可能产生的废液为消防废水、事故期间雨水、泄漏的介质。
装置区设计雨水、事故污水收集切换系统。正常情况时，开启雨水排水系统阀门，雨水经水封井隔离后排至厂外市政管网。事故状况时，雨水排水系统阀门关闭，开启事故污水收集管网阀门，污水收集至事故水池。事故结束后对事故废水进行检测，如水质满足污水排放标准，排至厂外市政污水系统。如污染物超标，则集中外运处理。工艺装置区消防水量根据相关规范计算为486m?。
（3）装车区
装车区布置3台装车臂。发生火灾时，启动装车区周围的水枪（水炮）、高倍数泡沫发生器向槽车喷水和泡沫，防止火灾蔓延。其消防水量经计算为500m?。装车区周围设有导液沟和集液池，用于收集事故状态下产生的废液。
5.事故水池容積的确定
事故水池的有效容积应不小于厂内最大一次事故排水量。事故污水一般以消防事故水量最大，消防事故污水量按设计火灾延续时间内使用的各种消防设施用水量确定。根据《水体污染防控紧急措施设计导则》，事故储存设施的总有效容积计算公式为：
V = （V1+ V2- V3）max + V4+ V5
V1—收集系统范围内发生事故的1个罐组或1套装置的物料量，储存相同物料的罐组按1个最大储罐计，装置物料量按存留最大物料量的1台反应器或中间储罐计，单位 m?；
V2—发生事故的储罐或装置的消防用水量，单位 m?；
V3—发生事故时可以转输到其他储存或处理设施的物料量，单位 m?；
V4—发生事故时仍必须进入该收集系统的生产废水量，单位 m?；
V5—发生事故时可能进入该收集系统的降雨量，单位为m?；V5=10q·F（q为降雨强度，按平均日降雨量计，单位为mm；qa=qa/n，qa为年平均降雨量，单位为mm，n为年平均降雨天数）；F为必须进入事故废水收集系统的雨水汇水面积，单位为ha。
根据公式，本项目的事故水池的容积计算如下：
（1）LNG罐区：消防水大量用于冷却受到火灾热辐射的储罐、设备或可能以其他方式加剧液化天然气火灾的任何被火灾吞灭的结构，以减少火灾升级和降低设备的危险，不会受到化学污染。如果向罐区喷水或（下雨），则-162℃的LNG会从常温的水中汲取大量热量加速气化，而水也会凝结成霜，甚至结冰，LNG和水在围堰内几乎不能同时以液态形式存在。火灾事故状态下，罐区产生的事故废水按公式计算，结果如下：
公式中V1为LNG储罐容积5000m?，火灾状态下不计入；V2为3636m?；V3、V4均为0 m?； V5为760 m?（按围堰内一次暴雨降雨量100mm计算）。
V事故池=V总- V现有（V现有：围堰内有效容积6470 m?）
经计算：V事故池=3636+760-6470= - 2074 m?。
储罐区围堰对最终消防废水完全可以起到缓冲作用，不需再增加事故水池容积。
（2）工艺装置区：发生火灾或爆炸等事故时产生的事故废液，按事故时一次火灾消防用水量、事故期降雨量、泄漏的化学物料（按50 m?考虑）计算。火灾事故状态下，产生的事故废水：
公式中V1为一个最大冷剂储罐50m?（利用罐区围堰收集，容积不计入事故池）；V2为486m?（按雨天工艺装置区最大连续3小时消防水量计算）；V3为0 m?； V4为50m?； V5为560m?（按装置区内一次暴雨降雨量100mm计算）。
经计算：V事故池=1096 m?。
（3）装车区：消防水用途与罐区一致，但用量较小，与工艺装置区基本一致，不再重复计算。
经综合考虑，项目设一座有效容积1200m?的事故水池，用以收集装置区或装车区的事故废水。
6.结语
项目按照相关规定设置应急事故水池，保证事故时能有效的接纳装置事故废水，避免其进入水体，造成污染。事故水池设计时严格按照国家规范及行业规定，合理计算容积，降低企业投资成本，使企业运行后更安全、更环保。
钢筋混凝土水池设计 篇11
1 后浇带和施工缝处理的构造措施
根据现行规范[3]7.1.3条规定,水池伸缩缝的间距,根据水池的结构类别、地基类别和水池的工作条件等划分,一般为20～30 m,超过30 m均应设置伸缩缝。但在实际工程中30～40 m长度的水池较为常见,如设置伸缩缝,施工质量较难控制。其中地下式水池,正常使用时温差很小,一般采用后浇带的措施是合适的。
后浇带[4]一般设置在水池中部,宽1 m,处理方法如图1所示。两侧混凝土同时浇筑并养护6周,采用补偿收缩混凝土浇筑后浇带,使池体连接成整体。后浇带处的钢筋一般不截断,连续配置。
对于不能一次完成浇筑的水池侧壁,在施工中需留设施工缝,施工缝应设在池壁上,在选择施工缝位置时,应符合温度应力计算所选择的位置,钢筋在施工缝处贯通不断,施工缝的位置宜留在结构受剪力较小且便于施工的部位。对于水池池壁的施工缝位置宜留设在高出底板表面200～500 mm的竖壁上。施工缝处先后两期分期浇筑的混凝土间的结合要比一次浇筑的混凝土要差,故在施工缝处需加设企口同时在断面处采取埋设止水带或者外贴式止水带等措施,其中设置4 mm厚,200 mm宽钢板止水带,钢板接头用2-M5螺栓连接,如图2所示钢板止水带做法效果较好。
2 水平转角的加强构造措施
对于现浇钢筋混凝土矩形水池,因池壁和池壁,池壁和顶、底板之间采用刚性连接,为了避免在此处形成应力集中,通过设置腋角来改善其受力状态,抵抗角隅弯矩,增强连接处的抗裂性。腋角边宽同池壁厚度,腋角内配置斜筋的直径与池壁受力筋相同,具体做法如图3所示。
a.池底板处腋角加筋做法b.与池壁处腋角加筋做法其中(1)(2)号筋与对应的池壁,池底板钢筋相同
3 关于水池的防渗构造措施
1)在工程中应用较广泛的做法是限制水灰比和控制水泥用量,CECS138:2002规程[5]条文说明3.0.4中给出了详细的混凝土配合比要求。
2)池壁和底板的钢筋宜选用小直径的钢筋和较密的间距,其目的是更好的满足裂缝宽度的要求。但为了方便施工,钢筋的间距不宜小于100 mm。池壁采用双向配筋,最小厚度不宜小于200 mm。
3)混凝土中掺膨胀剂,从而适当补偿混凝土的收缩,提高混凝土的抗渗能力。
4)正常条件下均应设置1:2水泥砂浆内外壁抹灰。
4 结语
构造设计是钢筋混凝土水池设计重要的组成部分,随着结构计算软件的开发和应用用,理正工具箱和佳构STRAT等软件都具有了水池的计算功能,但如何确保计算结果与实际受力情况更加吻合,还必须借助构造设计达到,要实现水池设计的安全、可靠且经济,设计人员要对构造设计足够重视,并在设计图纸中有所体现,从而保证所设计的结构经济合理。
参考文献
[1] 王广驰.钢筋混凝土矩形水池构造设计[J].工程建设与设计.2008,(3)
[2] 王伏龙.钢筋混凝土矩形水池构造的几个问题[J].施工技术.1985,(3)
[3] GB50069-2002． 给水排水工程构筑物结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002
[4] GB50010-2002． 混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002