扶壁柱式水池结构设计探讨
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摘要：水池结构是石油化工装置中常见的结构形式，雨水提升泵站是其中的一种。雨水提升泵杨波用是把低洼收集的雨水,通过泵把雨水输送到指定的地区。根据工程所在地区及工程规模的不同,水池的面积及需要的深度各不相同。有些水池受场地限制,深度非常高,这样水池壁会非常厚,看起来不美观,也浪费混凝土的用量,这时会考虑用扶壁柱与池壁板共同承担水平力,从而大大减小了水池的壁厚,节省混凝土的用量。
关键词 ：水池结构扶壁柱雨水提升泵站
中图分类号：TB482文献标识码： A
1.工程概况
中国石化工程建设公司某项目公用工程中的一个雨水提升泵站，水池为全埋式。水池内壁尺寸：40m(宽),60m(长),7.2m(深:最浅处),9.7m(深:最深处).部分区域有顶盖。
本工程抗震设防烈度为6度，场地类别II类，最高水位位于地表，最低水位-6.4m。
现就设计过程做大概描述。
2.水池结构的荷载
水池结构的作用分三类:1. 永久作用:包括结构自重,土的竖向压力,土的侧向压力,池内水压力,池内物料压力,设备及管线重等;2.可变作用:包括顶盖,设备操作荷载,安装检修荷载,地面堆积荷载,风荷载,雪荷载,地表或地下水压力(侧压力,浮托力),结构构件的温(湿)度变化的作用等.3.地震力
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，并且没采取任何保温措施的水池。
各种荷载的标准值及分项系数见SH/T 3132-2002《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》第6页。
对于本水池来说,因为是地下全埋式水池,而且设防裂度为六度,所以不考虑水平地震作用下的截面抗震验算,也不考虑壁面温湿度变化的作用,全埋式水池也不需要考虑风荷载。
图1底板模板图
3结构选型及布置
结构选型:设计初期,考虑按一般水池结构计算,计算结果是池根部的厚度要大于1000mm,如果按这个方案做肯定不是经济的做法, 所以水池整体最后确定为带扶壁柱的全埋式水池结构。
基础:采用桩基基础,池壁下预应力管桩为受压桩,中间预制方桩为抗拔桩。
底板:采用分离式底板,计算时考虑池壁下为一条型基础。
竖向结构:因为水池的深度原因(最深处9.7m),选择扶壁式水池结构,这样水平力由池侧壁,扶壁柱及底板共同承担,池壁厚度大大减小,节约了混凝土的用量.此水池池壁厚500mm。
顶板:水池顶部有七台立式泵,最重的42.5T,功率1041KW，考虑到泵震动的特殊性,有泵的顶板局部采取厚板(500mm),其余部分为200mm。
4.扶壁柱的计算
带扶壁柱的水池结构,一般扶壁柱间距为(1/3~1/2)H (H为池高),扶壁柱厚度一般为扶壁柱间距的1/8~1/6。由于扶壁式水池结构为多向结构的组合,结构类型为空间结构,在墙身与扶壁柱内力计算时,一般采用简化的平面问题,按近似方法计算各个构件的弯矩和剪力。
扶壁柱的受力:扶壁承受相邻两跨墙面板中点之间的全部水平土压力,扶壁自重与作用于扶壁的竖直土压力暂忽略不记。
现以池底标高-8.2m处为例简单介绍一下扶壁柱的计算。在标高-8.2m处没有顶板,故此处扶壁柱按固接于底板的T型变截面悬臂梁计算其内力。
扶壁柱的计算有两种主要的荷载工况: 1.池内满水,池外无土(施工过程中可能会遇到).2.池内无水,池外有土(正常工况)。以下是池内无水,池外有土的计算过程(按地下水位标高为±0.0 M,考虑10KN/M2的堆载.):
f1=ez*B(f1:作用于扶壁单位高度上由壁板传来的土压力,ez:作用于池壁上的土压力,B=2.5m(扶壁柱间距))
ez=r水*Z+ka*r土*Z+Ka*10 (Z:池壁深度,Ka=0.333)
不同深度Z处的f1值:
得出上表中弯矩,既可按T型变截面悬臂梁来计算扶壁柱的配筋.下图是扶壁柱的配筋图示意。
图2扶壁柱配筋图
5底板的计算
因为深池壁的特殊性,如果池壁下条型基础的宽度按《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范>>里规定的满足刚性条形基础的宽度取值,在底板处产生的弯矩引起的基底反力零压力区的面积会很大,故壁下条型基础宽度的取值按使桩尽量不出现拔力为依据取值，而这时所取的条基宽度就不能满足刚性条型基础的假定(既基底的反力是非限性分部的),所以计算时采用了STADD-PRO软件按有限元分析的方法校核基础反力和底板弯矩。
5.1.首先不考虑符合刚性条基的假定,按刚性条基的方法计算底板:底板计算的详细过程参见(刘健行等编),以下是底板的计算简图,这里不再详述。在底板计算过程中遇到的一个问题是在池壁板与底板连接处的内力很大, 造成底板钢筋配置过多，在这里一般会做加腋来缓解这个问题。加腋的目的其一是为了避免应力集中,第二是为了避免交角处的淤泥等杂物不好清除,另一个重要原因是水池的配筋结果最后一般由裂缝来控制,如在这里加腋,裂缝计算时可以考虑取腋端的弯矩,这样避免了底板钢筋配置过多。
下表是标高-8.2m处的池壁下底板受力情况(此水池防水等级是四级,底板裂缝≤0.25mm):
内无水,外有土(此种工况下底板下部受拉)
图3 分离式底板按刚性条基计算简图
5.2.因池下条基不符合刚性条基假定,故引入staddpro按有限元分析的方法进行复核。取5个扶壁柱间的各构件搭入模型,如下图示。结果显示,底板在工况1.内无水,外有土情况下,底板在池内壁根部的弯矩是M=707KN.M/M ,底板下部受拉。在 工况2.内有水,外无土情况下,底板在池内壁根部的弯矩是M=-419KN.M/M ,底板上部受拉。比较刚性条基的计算结果,按有限元分析的结果与刚性条基基础计算结果相近,但比刚性条基的计算结果要小。在实际工程中,取了更安全的按刚性条基的计算结果配筋。
图4分离式底板staddpro计算简图
6防水抗渗设计:
因为池类结构的特殊性,池类的防水抗渗设计是最主要的设计内容之一。池类结构的裂渗控制主要是依靠提高混凝土本身的密实性和提高混凝土结构的密闭性达到结构自防水的目的。实际工作中要达到此目的,应从材料选取,设计方案,构造处理和施工措施等方面综合控制。综合控制一般可采取“防”,“放”，“抗”三方面措施。
6.1石油化工池类设计,主要是以防为主. 据(第二页),此水池结构防水等级为四级,应采用防水混凝土自防水结构。防水混凝土一般分三类:1普通防水混凝土,补偿收缩混凝土,和后浇用防水混凝土。此水池采用了在普通防水混凝土掺入了一定比例的膨胀剂,使混凝土在水化过程中产生一定的体积膨胀,在有约束提交下产生适宜自应力,并且它的膨胀水化物能填充混凝土内部孔隙,增加混凝土的密实度,从而达到防水混凝土的效果。除此之外,此水池还采取了附加防水层的措施,即在池表面涂刷防水涂料。
6.2 采取放的措施:放就是尽量减少边界条件的约束或在结构中建立预压应力,来释放或平衡大部分因温(湿)差作用引起的变形或拉应力,从而达到消除温度裂缝确保结构的防水密闭性。本水池采取设置混凝土后浇带的措施,后浇带在其两侧混凝土龄期达到42天后再施工。
6．3采取抗的措施:抗就是通过增配钢筋来提高钢筋混凝土的极限拉伸强度,并能承担一部分温度应力或控制构件变形和裂缝宽度。这项措施体现在了水池计算的始终。
7结语
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。
此水池已经投入使用两年,使用效果良好,没有开裂及渗水现象。
参考文献
[1]GB 50010-2010， 混凝土结构设计规范，中华人民共和国国家标准，2010
[2]CECS138-2002,给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程，中国工程建设标准化协会标准，2002
[3]SH-T3132-2002,石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范，中华人民共和国石油化工行业标准，2003
[4]GB 50108-2008，地下工程防水技术规范，中华人民共和国国家标准，2008
[5]给水排水工程结构（刘健行主审）