钢筋混凝土水池设计

第十章钢筋混凝土水池设计本章主要内容：介绍工程中常见水池的结构形式及其承受的主要荷载钢筋混凝土圆形水池的设计钢筋混凝土矩形水池的设计第十章钢筋混凝土水池设计•§10-1水池的结构型式钢筋混凝土贮水池结构形式§10-1水池的结构型式•一、水池分类贮水池水处理用池按用途分为圆形水池按几何形状分为矩形水池封闭式水池按结构型式可分为开敞式水池非预应力水池按配筋方式可分为预应力水池地上式水池按水池建造位置可分为地下式水池半地下式水池整体式水池按施工方法可分为装配式水池装配整体式式水池第十章钢筋混凝土水池设计§10-1水池的结构型式•二、水池池壁结构型式•水池池壁由荷载产生的内力大小及其分布情况可做成：的水池池壁于变厚池壁常用于容量大水池以下的现浇整体式圆形容量在以下的矩形水池容量在等厚池壁常用于33310001000m200mm第十章钢筋混凝土水池设计§10-1水池的结构型式•三、水池顶盖和底版型式•1.贮水池的顶盖和底板多采用平顶和平底型式。•2.水处理用池中由于工艺的特殊要求，池底常做成倒锥壳、倒球壳，或多个旋转壳体组成的复杂型式倒锥壳和倒球壳组合池底形成的加速澄清池示意图第十章钢筋混凝土水池设计§10-2水池的荷载作用在水池上的主要荷载有：荷载竖向传递的池顶荷载和池底荷载；荷载水平方向传递的池壁荷载等池顶活荷载q覆土厚hs池顶板厚h2底板板厚h1垫层厚h3设计水位池底荷载无地下水有地下水实际分布线简化分布线HnHwHw/pwp2p1地下水位水池的荷载第十章钢筋混凝土水池设计§10-2水池的荷载•一、池顶荷载•池顶荷载主要有：•顶板自重•构造层重•覆土重•活荷载•雪荷载•结构计算时活荷载与雪荷载两者中取大值池顶活荷载q覆土厚hs池顶板厚h2底板板厚h1垫层厚h3设计水位池底荷载无地下水有地下水实际分布线简化分布线HnHwHw/pwp2p1地下水位图10-3水池的荷载第十章钢筋混凝土水池设计§10-2水池的荷载•二、池底荷载•整体式底板，池底荷载是指将使底板产生弯矩和剪力的那部分地基反力或地下水浮力，其计算公式为：•池顶活荷载q覆土厚hs池顶板厚h2底板板厚h1垫层厚h3设计水位池底荷载无地下水有地下水实际分布线简化分布线HnHwHw/pwp2p1地下水位图10-3水池的荷载）（底板面积池壁总重支柱总重）池顶荷载（池底荷载22//mkNmkN第十章钢筋混凝土水池设计§10-2水池的荷载•三、池壁荷载•池壁承受的荷载主要是作用于水平方向的水压力和土压力。•池壁水压力按三角形分布，池内底面处的最大水压力标准值计算公式：•池壁土压力按主动土压力计算，池壁外侧压力按梯形分布•池壁顶端外侧压力组合标准值计算公式：•池壁顶端外侧压力组合标准值计算公式：•当无地下水时•当有地下水时2/mkNHp245][222tghhqpsskk245][221tgHhhqpnsskk245221第十章钢筋混凝土水池设计§10-2水池的荷载四、其它作用对水池结构的影响温度和湿度的变化：温度和湿度的变化会使混凝土产生收缩和膨胀，在结构中引起附加应力；地震作用：对水池具有破坏性的地震荷载主要氏是水平方向的地震惯性力。五、荷载组合水池一般应根据下列三种不同荷载组合分别计算内力：1.池内满水，池外无土；2.池内无水，池外有土；3.池内满水，池外有土。第十章钢筋混凝土水池设计§10-3地基承载力及抗浮稳定性验算•一、地基承载力验算•当水池基础采用整体式底板时，一般可假设地基反力为均匀分布。•地基承载力验算公式：22k22////akNmkNmkNmkNmf水池总重量池顶活荷载及覆土荷载（）池底面积底板单位面积上的水重单位面积垫层重均为标准值af式中为修正后的地基持力层承载力特征值，按《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002的规定确定。第十章钢筋混凝土水池设计§10-3地基承载力及抗浮稳定性验算•二、水池的抗浮稳定性验算•当水池底面标高在地下水位以下，或位于地表滞水层内而又无排除上层滞水措施时，地下水或地表滞水就会对水池产生浮力。当水池处于空池状态时就有被浮托起来或池底板和顶板被浮力顶裂的危险。此时，应对水池进行抗浮稳定性验算。•1.水池整体抗浮稳定性验算•验算公式•2.水池局部抗浮稳定性验算——仅对池内有中间支柱的封闭式水池•验算公式地下水位局部抗浮不够时水池的变形05.1.9.0ApGGbuosktk05.19.01buocalckkslskpAGgg第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•一、圆形水池主要尺寸及计算简图•1.主要尺寸•圆形水池高度——一般控制在3.5m~6.0m之间•圆形水池直径——高度确定之后由水池容量推算直径••圆形池壁厚度——通过计算确定，•同时满足•水池顶盖和底板的结构尺寸——由第九章原则初步估算仅对单面配筋的小水池—不得小于不得小于mm120mm180第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•一、圆形水池主要尺寸及计算简图•2.计算简图•水池的计算直径（d）应按池壁截面轴线确定；•池壁的计算高度（H）则应根据池壁与顶盖和•底板的连接方式来确定。•当池壁上、下端均为整体连接时：•上端按弹性固定，下端按固定计算时，取•上下端均为弹性固定计算时，取•当池壁上、下端均为铰接时:取H至铰接中心处•当池壁上、下端为非整体连接时:取H=Hnrhdndddnhra)b)HHnHnH圆形水池池壁计算尺寸及上、下边界连接示意图22hHHn池顶板厚度122nhHH池底板厚h+池顶板厚度第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•一、圆形水池主要尺寸及计算简图•3.池壁上、下端的边界条件•池壁下端的边界条件：•固定连接•弹性固定连接•铰连•池壁上端的边界条件：•自由边界•铰接•弹性固定连接•按固定支承计算的条件：池壁底端如与底板整体连接，同时满足下面三个条件时：•⑴如图10-6所示h1≥h；•⑵a1h且a2≥a1；•⑶地基良好，地基土壤为低压缩性或中压缩性（压缩系数a1-20.5）•弹性固定连接即考虑池壁与底（顶）板的变形连续性，将池壁与底（顶）板的连接看成可以产生弹性转动的刚性节点。•池壁与池底整体连接，但不能满足固定支承的其它条件时，应按弹性固定连接计算池壁池底a1a2hh1图10-6池壁与池底整体连接示意图第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•二、池壁内力计算•（一）圆水池池壁内力计算的基本原理•1.假定条件：•◆池壁可看作圆柱形薄壳，忽略池壁厚度；•◆忽略由池顶、池底传于池壁的竖向力对池壁轴力的影响；•◆假设池壁壳体材料是各向同性的匀质连续弹性体；•◆圆形水池所承受的侧压力是轴对称性的，池壁产生的变形和内力也为轴对称性。•2.池壁单元微分体的内力分布：•若取一高度为dx，环向为单位弧长的微分体作为脱离体，由对称性原理，可以确定在微分体各截面上产生的内力：•在垂直截面上只有•环向力（）和环向弯矩（）；•在水平截面上只有•竖向弯矩（）和剪力（）M1M1rrM2M21V1V1V2V2pXωxdxHrMxVxdθ=1/rpxdxNθdxMθdxMθdxNθdxdxh两端有约束的池壁内力分析图NMxVxM第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•二、池壁内力计算•（一）圆水池池壁内力计算的基本原理•3.池壁内力计算•（1）计算公式•环向力•竖向弯矩•环向弯矩•剪力qrkNN2qHkMxMxxMMqHkVxVxxpNxMMxV（2）荷载及内力符号规定以指向朝外为正；以受拉为正；、以使池壁外侧受拉为正；以指向朝外为正。第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•二、池壁内力计算•（二）圆水池池壁内力系数表的应用•1.附表5-1所包括的池壁上、下端边界条件•★底固定，顶自由；•★底铰支，顶自由；•★底固定，顶铰支；•★两端固定；•★两端铰支。•2.附表5-1所包括的荷载形式•◆三角形荷载•◆矩形荷载第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•二、池壁内力计算•（二）圆水池池壁内力系数表的应用•3.对端部有约束的池壁进一步简化计算•（1）当0.2时，可忽略环向力，即取Nθ=0，按垂直单向板计算；•（2）当2.0时，长壁圆水池，计算时可以忽略两端约束力的相互影响；•（3）当0.2≤2.0时，称为短壁圆水池，这时不能忽视两端约束力的影响，必须按精确理论计算。•（4）当56时，为深池。此时计算步骤：•▼在0.25H~0.75H范围内，按两端自由的静定薄壁圆筒计算，其内力只有环向力即••▼在0.0H~0.25H即0.75H~1.0H范围内计算内力时，可取靠约束端高度为的一段水池，按一端有约束，另一端为自由的池壁，用附录5-1中相应边界条件和荷载状态下=56的内力系数进行计算。dhH2dhH2dhH2dhH2xNprdhH56dhH2rrpxwHxa)b)dshdθNθNθθpx两端自由的圆形水池池壁计算简图第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•二、池壁内力计算•（三）壁端为弹性固定时内计算•1.弹性固定端边界力的确定•弹性固定端的边界力包括边界弯矩和边界剪力两项。对平顶和平底圆水池，可以认为节点无侧移，边界弯矩可以用力矩分配法进行计算。•◆池壁边界力可按下列公式计算•◆池壁内力计算•边界弯矩确定以后，可将弹性固定支承取消，代之以铰接和边界弯矩，池壁内力即可用叠加法求得。islwwisliiiKKKMMMM,,HEhkKMs3M1M1M1M1M2M2M2M2长壁圆水池池壁两端为弹性固定时的内力分析简图pwpwpwpw第十章钢筋混凝土水池设计§10-4钢筋混凝土圆形水池设计•三、池壁截面设计•池壁截面设计包括：•⑴计算所需的环向钢筋和竖向钢筋；•⑵按环拉力作用下不允许出现裂缝的要求验算池壁厚度；•⑶验算竖向弯矩作用下的裂缝宽度；•⑷按斜截面受剪承载力要求验算池壁厚度。第十章钢筋混凝土水池设计§10-5钢筋混凝土矩形水池设计•一、矩形水池的计算简图•㈠不同长高比池壁的计算假定第十章钢筋混凝土水池设计Hl5.0HllH2lH2lH225.0Hl2Hl5.0HllH2lH2lH235.0Hl3Hl池壁在侧向荷载作用下单、双向受力的区分条件壁板的边界条件板的受力情况四边支承部分按水平单向计算；板端部分按双向计算，处可视为自由端按双向板计算按竖向单向计算，水平向角隅处应考虑角隅效应引起的水平向负弯矩三边支承，顶端自由部分按水平单向计算；底部部分按双向计算，处可视为自由端按双向板计算按竖向单向计算，水平向角隅处应考虑角隅效应引起的水平向负弯矩角隅处考虑水平弯矩HHH=2ɭ部分按双向板计算2ɭ部分按水平单向板计算LLL1.0m（a)（b)（c)（a)；（b);（c)§10-5钢筋混凝土矩形水池设计•一、矩形水池的计算简图•㈡池壁边界（支承）条件的确定•开敞式水池•挡土（水）墙式水池池壁按顶端自由、底端固定的边界条件进行计算；•双向板式水池的池壁顶边按自由计算，底边一般可视为固定支承；•水平框架式水池与相邻池壁的连接应按弹性固定考虑，与底板的连接一般可按固定考虑。•封闭式水池•挡土（水）墙式水池池壁边界条件应根据两者线刚度的比值来确定。当池壁线刚度为顶板线刚度的五倍以上时，可假设池壁顶端为铰接，否则应按弹性固定计算。底端按固定计算；•双向板式水池的池壁顶边边界条件的确定原则与上述封闭式挡土（水）墙式水池相同，底边一般可视为固定支承；•水平框架式水池顶板的连接应根据构造及刚度关系按铰接或弹性固定考虑，底板的连接一般可按固定考虑。第十章钢筋混凝土水池设计§10-5钢筋混