徐莉平，葛旭峰

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

0 前言

在长距离供水工程中，水池作为保证工程正常运行及调节上下游流量的重要建筑物而被广泛使用[1]。根据几何形状的不同可分为圆形水池和矩形水池，布置方式不同可分为：地下式、半地下式和地上式。因此，在满足工程需求的同时，合理的结构类型和布置形式显得尤为重要，但是，当前有些水池的设计过于保守，原因在于凭经验选择池壁厚度后再进行校核，未必能做到结构造价最低[2]。故合理的结构模型不仅能节省工程量、节约投资，而且能降低施工难度、加快施工进度[3]。钢筋混凝土水池属于特种结构，较之于钢水池、素混凝土水池和砌体水池，具有施工简单、造价低、成型方便以及具有良好的防渗、防腐和耐久性等优点。对比相同容积的钢筋混凝土圆形水池与矩形水池，圆形水池因其受力均匀、构造简单，被广泛应用于水工建筑物中。

本文以榆林市某引水工程中半埋式圆形钢筋混凝土分水池为研究对象，在水池已定布置形式、容积的前提下，对其进行结构计算分析及体型拟定，为水池设计提供可靠的理论依据。

1 圆形水池结构计算理论分析

1.1 计算原理

圆形水池结构计算采用单元构件法，将水池的顶板、底板(视地基为弹性地基)简化成周边为弹性固定的圆板，池壁简化为两端弹性固定的圆柱壳进行计算分析。

1.2 内力计算理论分析

1.2.1 荷载组合

圆形水池结构上的荷载包括永久荷载和活荷载。永久荷载含结构自重、土压力、水压力等；活荷载主要考虑顶板活荷载。水池荷载组合见表1。

表1 水池荷载计算

t1为顶板的厚度，mm；t2为底板的厚度，mm；d为侧壁的厚度，mm；R为水池直径，m；hw为对水池内水深，m；Hb为池外壁覆土深度，m；H为水池深度，m；A1为池底板悬挑部分表面，m2；Ka为土侧压力系数。

1.2.2 内力计算理论分析

1)顶板、底板内力分析

顶板、底板为多柱支承的圆板，将圆板划分为板带。可视顶板(或底板)为在均布荷载q作用下的多跨连续梁，在任何一跨中，其两边支座弯矩绝对值总和的一半加上该跨的跨中弯矩，应该等于同跨度同荷载的铰支梁的弯矩。顶板、底板板带划分图见图1。因此，圆板中间区隔一跨中，其跨中板带及柱上板带上的跨中支座的总弯矩值为：

图1 板带划分图

(1)

2)侧壁内力分析

水池为侧壁与顶板、底板均为现浇，将池壁顶端底端视为弹性固定约束。计算池壁的特征系数S

(2)

式中：R为池壁的计算半径(m);h为池壁厚度(m); H为池壁高度(m)。

本次计算结果1

Nθ=KNθqR

(3)

QK=KQxqH

(4)

Mb=KmqH2

(5)

(6)

式中：Nθ为池壁环向力(KN)；KNθ为环向力系数；q为池壁所受的三角形荷载(kN/m)；Qk为池壁剪力(KN)；KQx为剪力系数；Mb为竖向弯矩(KN·m)；Mt为环向弯矩(KN·m)；Km为竖向内力系数。

2 工程案例分析

2.1 工程概况

某长距离供水工程末端拟设分水池，容积3 000 m3，水池直径10 m，池净高12 m。结合实际地形，该水池设置为半埋式钢筋混凝土圆形有盖水池，高出地面6 m。池内设4根直径为500 mm的钢筋混凝土圆柱并设腋角和扩大脚。水池采用现浇混凝土，强度等级为C30，防冻等级为F200，防渗等级为W4。水池外部拟采用模塑聚苯板材料保温。水池的平面、剖面图如图2所示。

图2 水池平面、剖面图

2.2 结构计算工况

根据工程设计要求及后期管理需求，设定了3种计算工况。

工况1：池内有水，池外有土；

工况2：池内满水，池外无土；

工况3：池内无水，池外有土。

2.3 结构选型

根据《给水排水工程结构设计手册》[4]中规定，圆形水池底板的厚度不宜小于200 mm，顶板的厚度不宜小于150 mm。由于水池顶板、底板的荷载明确，故池壁是体型选型的关键。一般来说，池壁越厚，则混凝土用量越大，受力所需钢筋用量越少。但当壁厚大到一定程度后，钢筋用量要由构造要求确定，可能不降反增，混凝土及钢筋抗拉强度未得到充分利用，存在浪费。因此，工程选定了3种水池的结构尺寸进行分析。结构选型见表2。

表2 水池结构尺寸

3 理论计算成果分析

3.1 内力计算结果

根据圆形水池结构计算理论，对圆形水池3种结构尺寸在3种工况下各个部位的内力值进行计算分析，各个构件不利工况的内力计算值见表3。

表3 水池内力计算

3.2 配筋计算结果

水池配筋选取三种工况中最不利的工况进行配筋。水池顶板及底板按纯弯构件配筋，水池侧壁环向内力按压(拉)弯构件配筋，竖向内力按纯弯构件配筋。配筋结果见下表4。

表4 水池配筋计算

3.3 计算成果分析

通过以上3种结构尺寸计算成果可以看出，顶(底)板越厚，顶(底)板的弯矩值与内力值随之增大；池壁越厚，环向力越小，竖向弯矩越大。在满足裂缝的前提下，顶板越厚，同型号的钢筋在顶板范围内的配筋间距越大；侧壁越厚，在同型号、间距的竖向钢筋配比下，竖向裂缝开展宽度越大，在同等裂缝开展宽度下，池壁越厚，虽然环向力在减小，但是所需的环向钢筋型号在增大；底板越厚，在同型号、间距的钢筋配比下，底板裂缝越小。因此，设计采用体型1的结构尺寸(顶板厚300 mm,池壁厚500 mm，底板厚600 mm)在满足构造安全的前提下，能更好选配钢筋，控制混凝土裂缝开展宽度，同时节省了工程量，满足了工程需要。

4 结语

本文以榆林某供水工程圆形水池为研究对象，通过理论分析计算，对不同结构尺寸水池的结构计算分析及体型选择进行了总结。限于篇幅，现有以下方面的问题做进一步分析。

(1)本次计算未考虑水池侧壁的温度影响，侧壁保温材料的保温效果还需进一步深入了解；本次计算视池壁为环向受拉、竖向受弯的圆柱壳，配筋时均按最大弯矩进行配筋，但实际池壁内外侧的受力是不一致的(外侧受温度影响以及土压力，内侧受水压力)，还需进一步对池壁内外受力进行分析计算及配筋。

(2)本次计算视地基对底板无约束，实际上水池底板下侧还要考虑地基反力的作用，还需在结合水池基础处理前提下，对底板进行进一步的内力分析。

(3)本次计算以理论计算为主，可将本次计算结果与相应程序计算结果进行对比分析，使水池的体型在满足结构要求的条件下更加经济合理。