特种结构-第四章-水塔.ppt

第五章水塔结构设计 水塔用于建筑物 小区 的给水 调剂用水 维持必要的水压和安全用水的作用 水塔由水箱 支架或支筒 基础和附属设施 进出水管 水位控制指标装置 爬梯 平台 壁雷装置和照明装置等 组成 5 1水塔水箱的分类常见的钢筋混凝土水塔水箱 平底式水箱 英兹式水箱 倒锥壳式水箱 一 平底式水箱多用于水箱容量小于100m3 该水箱底板被支承在下环梁上 环外部底板悬臂 正锥壳水箱顶盖 可根据在竖向荷载作用下 由于直径和荷载都较小 也可近似按无弯矩理论 薄膜理论 计算 圆柱形水箱壁的内力计算方法与圆形水池池壁的内力计算方法相同 其中箱壁的竖向弯矩可按边界条件为上端自由 下端固定的圆柱壳考虑 箱壁的环向拉力可按边界条件为上端自由 下端铰支的圆柱壳考虑 平底式水箱的底板是一带悬臂 或不带悬臂 的圆板 板上作用有均匀水压力 圆板自重 周边作用有水箱壁传来的沿圆板周边的竖向线荷载 圆形底板在上述荷载作用下的内力 可参见 建筑结构静力计算手册 中的公式计算 平底式水箱的上环梁承受锥壳传下来的径向水平分力和数竖向力 因此上环梁可按轴心受拉构件计算 平底式水箱的下环梁 可按竖向荷载作用下的等跨连续曲梁计算内力 并应与风荷载引起的内力进行组合 二 英兹式水箱英兹式水箱由正锥壳顶 圆柱壳壁 倒锥形斜底 球面壳底 上环梁 中环梁和下环梁组成 倒锥壳和球面壳在自重和池内水压力作用下可按无弯矩理论 薄膜理论 计算径向力和环向力 但在周边处应按周边固定计算边缘处的径向弯矩 三 倒锥壳式水箱倒锥壳式水箱由正锥壳顶 倒锥壳底 上环梁 中环梁和下环梁组成 倒锥壳式水箱在水位最小处直径较大 在水压力最大处直径最小 在直径最大处水压力较小 因此 倒锥壳式水箱所受环向拉力比较均匀 5 2英兹式水箱的内力计算大型的英兹式水箱可用电算进行整体分析 当水箱容量为500m3以下时 可将英兹式水箱分解为单个构件 用无弯矩理论计算内力 但在构件边缘处应考虑边缘弯矩 一 英兹式水箱的一般构造要求1 圆锥顶盖的倾角为180左右 顶盖厚度宜变截面 最小厚度为70mm左右 一般配筋率不小于0 2 且不小于 6 200的配筋量 2 倒锥斜底的倾角为450 壁厚一般为锥底上端直径的1 30 1 35 最小厚度为150mm 3 混凝土强度等级不小于C25 钢筋可采用HPB235级和HRB335级 4 环梁截面宽度不小于200mm 截面高度不小于350mm 环向钢筋配筋率不小于0 4 且至少有4根 12的钢筋 箍筋不应小于 6 200 5 水箱可采用砖护壁和空气保温层或内填松散材料的保温层 关键是水管的保温防寒 常用矿渣棉毡或玻璃棉毡做保温层 6 球壳底与下环梁交点的切线与水平线的夹角一般取45度 球壳底的最小厚度为100mm 二 英兹式水箱各部分荷载传递 圆锥壳 三 水箱个单元构件内力分析 1 圆锥 或圆球 壳顶盖 单位弧长的竖向力 单位弧长的径向力 单位弧长的水平力 圆锥壳顶的配筋设计 可按无弯矩理论 薄膜理论 计算壳体的最大径向压力 即Nr1 和最大环向压力 即H1r 径向和环向均可按轴心受压构件计算配筋 工程实践表明 对于不大的英兹式水箱 经计算一般按照构造要求配筋 环向钢筋配筋率一般为0 4 0 5 辐射状的径向钢筋大多数为 8 200 径向钢筋放在外层 圆锥壳顶的边缘因受到上环梁对壳体的嵌固作用 所以在锥壳边缘1 3锥长的部分需要配置上层构造钢筋 2 上环梁上环梁承受的环向拉力为 上环梁应按轴心受拉构件计算截面配筋并进行抗裂度验算 3 水箱箱壁英兹式水塔水箱壁的厚度应根据水箱直径及深度确定 一般最小厚度不小于90mm 水箱箱壁的内力计算方法与有顶盖的圆形水池的池壁相同 4 中环梁中环梁起着约束箱壁和倒锥壳底变形的作用 受力比较复杂 因此截面不宜过小 以使其有较大的刚度 中环梁的受力有 水压力 竖壁传来的竖向荷载 考虑自重后为G3 倒锥壳底的反力Nr3 这些力使中环梁受拉 中环梁所受的环向拉力为 中环梁应按轴心受拉构件进行截面配筋设计 并进行抗裂度验算 5 倒锥壳底英兹式水箱的倒锥壳底的斜边不太长 环向拉力沿斜边的变化不大 故可按中点的环向拉力进行配筋设计 倒锥斜底中点的环向拉力为 式中 为作用在倒锥斜底中点的水压力 可以认为水压力方向向下 锥底的最大径向力发生在根部 根部的径向力可用下式计算 式中的w为作用在锥底的水重 图中的阴影部分 实际配筋取以下两种情况较大者 径向力Nr4为压力 按混凝土受压构件计算截面配筋 可近似按跨度为s2 s1 在水压力和自重作用下按简支梁计算跨中最大弯矩作为径向弯矩 按受弯构件计算配筋 6 圆球壳底圆球壳底上的荷载有圆球壳自重和水压力 研究表明 球壳在自重作用下 在中心角 大于103 60时 环向才出现拉力 因此 一般球底径向和环向均为受压 最大径向力发生在根部 为 球底厚度一般不应小于100mm 按轴心受压构件计算配筋 混凝土保护层厚度一般取20 30mm 在边缘1 3 1 4半径范围内布置双层钢筋 7 下环梁下环梁上所受的力有V4 V5 还有水平推力H4 H5 当H5 H4时 下环梁受拉 应考虑按轴心受拉构件计算配筋 并验算抗裂度 当H5 H4时 下环梁受压 当水塔采用支架结构方案时 以上两种情况下环梁是支承在柱子上的多跨圆弧梁 高次超静定 结构 实际所受力的情况是 除跨中以外 在每个截面都产生弯矩 扭矩 剪力 和轴力 下环梁在竖向荷载作用下 最大负弯矩和最大剪力发生在柱子的支点处 最大扭矩发生于跨中约1 4点处 最大正弯矩发生在跨中中点 5 3倒锥壳式水箱 组成正锥壳顶 倒锥壳顶 环梁 上 中 下环梁 2 特点容量大直径大处水压力较小 直径小处水压力较大柔度大 考虑附加弯矩环梁起到加强水箱刚度和稳定性及保证上下壳体可靠结合 3 内力分析 正锥壳内力分析 顶壳直径和荷载都不大 根据壳体理论证明 壳内的弯矩都很小 所以可以近似按无弯矩理论进行计算顶盖内力 集中荷载下的内力集中力有人防孔传来的荷载 在此作用下顶盖产生环向力及径向力分别为 自重作用下的内力正锥壳自重作用的方向与壳体表面的夹角为 900 所形成的内力为 顶盖均布荷载作用下的内力 顶盖在均布荷载作用下产生内力如下 各种荷载同时作用下的内力 上述公式中符号的含义见教材P90 倒圆锥壳内力分析计算时可取上端定向约束 下端固定约束的计算简图 按无弯矩理论计算倒锥壳的径向力和环向力 自重作用 三角形水压力作用 均布水压力作用 中环梁传来的环形竖向力作用如下 环梁内力分析 上环梁内力轴向力 中环梁内力 轴向力 下环梁内力轴向压力 弯矩为 4 1 2水箱的防渗与保温 抗渗 A 与混凝土材料等级 施工的密实性有关 骨料级配 水泥用量 水灰比 养护条件 B 尽量连续施工 储水部分只允许在中环梁上设置一道施工缝 C 做好预埋件工作 不应凿洞 保温 池壁保温 8 20 采用砖护壁和空气保温层 20 40 在空气层内添松散保温材料特冷采用防寒带 倒锥壳保温 化学保温 喷射及喷涂 用T型小肋形成空腔内填保温材料或形成空气保温层 做泡沫混凝土保温层 加砖护壁 3 水管保温 采用矿渣棉或玻璃布包扎 4 1 3截面设计 1 承载力计算时 除顶盖以外 设计内力可乘以调整系数K K取1 0 1 1 2 顶盖 包括上环梁 气窗 检修孔 根据设计内力 一般按受弯构件 轴心受拉构件 轴心受压构件的矩形截面计算其承载力 3 壁板 竖向根据设计弯矩M 按矩形截面受弯构件计算竖向钢筋 环向根据设计环向拉力N 按轴心受拉矩形截面设计环向钢筋 根据中环梁的设计拉力N 按轴心受拉构件计算其环向钢筋 4 水箱底部 平底板根据设计弯矩 按矩形受弯构件计算径向钢筋和环向钢筋 倒锥壳根据径向固端设计弯矩Mf和设计径向压力N 按矩形偏心受压构件对称配筋计算其承载力 确定径向钢筋 近似取偏心距增大系数 1 在计算倒锥壳时 可对下端的固端弯矩M取用o 9以确定中部截面的弯矩值 根据设计环向拉力Nt按矩形轴心受拉构件计算环向钢筋 球壳根据径向固端设计弯矩M 和设计径向压力Nr 按矩形偏心受压构件计算径向钢筋 取偏心距增大系数 1 根据环向设计压力Nt 按轴心受压构件计算环向钢筋 取稳定性系数 1 下环梁根据设计内力 按矩形截面计算其承载力 倒锥壳水箱的下梁 一般为偏心受压构件 以上构件尚应根据标准弯矩 标准环拉力 计算其相应的最大裂缝宽度 max 且满足 max o 20mm 6 圆形平板 锥壳 柱壳 球壳的内力 均系作用在lm宽度截面上的内力值 弯矩沿哪一方向作用 钢筋即沿此方向布置 弯矩使板的哪一面受拉 钢筋即靠近此面放置 且均按矩形截面计算 截面宽度取1000mm 4 1 4构造要求 1 材料混凝土强度等级不小于C20 钢筋为HPB235级或HRB335级 2 顶盖宜采用变截面的正圆锥壳 锥面坡度取为1 3 1 4 截面最小厚度为60mm 一般配筋率 0 2 并不小于 6 200的配筋量 自边缘算起锥面长度的1 3范围内宜配双层构造钢筋 3 壳壁厚h 120mm 且宜配双层钢筋 单面配筋率 0 2 配筋量不应小于 8 200 小容量水箱的壁板上部可仅配单层钢筋 4 底板平板厚度一般不小于120mm 球壳厚度一般不小于100mm 球壳的矢高与其水平直径之比一般为1 6 1 8 单面配筋率 o 2 并不小于 8 200的配筋量 5 环梁宽度不宜小于200mm 高度不宜小于300mm 对于有保温层的水箱 环梁截面高度一般不小于350mm 环向钢筋的配筋率 0 4 并至少有4根直径为12mm的钢筋 箍筋不应小于 6 200的配筋量 6 水箱的检修孔周边应设加强肋管道处的截面应局部加厚配置加强筋 并应设置伸缩器 第二节塔身 形式 支架式和筒壁式 4 2 1支架式塔身 支架式塔身一般由钢空间桁架或钢筋混凝土空间钢架做成 根据水箱容量的不同 塔身的高低 荷载的大小 支架分别由四柱 六柱和八柱组成 支柱 直柱截面面积不小于300 300 角柱配筋率不小于0 8 斜柱斜率一般为1 20 1 30 截面面积不小于300 300腋角 宽度400 600mm高度200 300mm横梁 沿高每3 5m设置 支架式塔身外形美观 坚固耐用 具有较强的抗震性能 但不利于抗寒 荷载计算1 荷载有 结构自重 设备重 各种活荷 风荷 满水压力 地震作用 a 风荷载 雪荷载 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 确定 b 地震作用 以水箱为主单质点体系考虑 按底部剪力法计算地震作用 地震作用作用在箱重心 2 荷载组合 满水箱 结构自重 水箱内水压力 塔顶雪荷载或活荷载 平台及楼梯上的活荷载 设备自重及风荷载 空水箱 结构自重 设备自重和风荷载 注 满水箱为了求出Nmax及相应M组合 空水箱为了求出Nmin及相应M组合3 风载体型系数倒锥形水箱0 7圆柱形水箱0 6支架结构的梁柱1 34 地震作用与风荷载组合计算原则 按单质点体系考虑方法 基底剪力法当考虑地震作用与风荷载组合时 风荷载取25 支架 框架 结构内力计算n个柱子组成的空间框架结构可以简化成平面框架结构计算 支架结构承受的荷载有 结构自重 水重 设备重 活荷载 风荷载 地震作用等 一 支架柱弯矩设计值的确定11 风荷载作用 假定把水箱承受的风荷载平均分配给各柱 并作用在柱的顶端 作用在整个支架上的风力沿高度按横撑间距分段计算 在各柱间平均分配 并以集中荷载的形式作用在该段相交的结点上 当风力沿着ab a b 平面框架作用时 一榀框架所受的风力为2Pw 垂直方向的框架所受风力为0 当风力沿对角线作用时 分解后作用在平面框架的分力均0 707Pw 2 1 414Pw 计算F要考虑水箱空载和满载 计算支架柱的弯矩设计值采用近似方法 取相邻两个柱子组成的单跨平面框架 见图中的AB框架 作为研究对象 取2Pw风荷载作为水平结点荷载 如图所示计算简图 可用反弯点法进行内力分析计算 将横撑看作框架梁 梁端弯矩根据结点力矩平衡条件求得 考虑空间作用 框架梁两端弯矩可按以下近似公式计算 系数 4柱支架取1 0 6柱取1 1 5 8柱取1 1 7 下层柱顶弯矩 上层柱脚弯矩 二 支架柱弯矩设计值的确定21 支架式塔身示意图 2 各层柱剪力对四根支柱水塔 第i层每根支柱的剪力为 对六根支柱和八根支柱的水塔 因每层柱高相同 混凝土弹性模量相同 所以每根支柱的剪力 按其惯性矩分配 第i层第j根支柱对垂直于荷载作用方向轴线的惯性矩 平均分配 所计算层反弯点以上的水平荷载总和支柱根数 支柱反弯点位置 可假定底层柱反弯点在基础顶面以上2 3hm处 hm为底层柱高 中间各层柱的反弯点在柱中间 顶层柱的反弯点在距支架顶2 3h处 h为顶层柱高 应取其较大者 三 计算柱最大轴力或最小轴力设计值的确定水塔支架在风荷载作用下发生整体弯曲 因而在支架柱上会产生拉力或压力 在风荷载作用下 整体水塔在基础顶面产生的总弯矩设计值为 关于将风荷载简化为节点集中荷载 风荷载体形系数 风压高度变化系数 风振系数 基本风压 计算面积 迎风面与背风面的面积之和 对于常用的四柱 六柱和八柱支架 最大轴力或最小轴力设计值可按下式计算 四柱支架六柱支架八柱支架 总的竖向力设计值 应分水箱空载和满载 下环梁中心的半径 式中 四 支架式水塔抗震设计按底部剪力法计算地震作用 地震作用作用于水箱重心处结构影响系数 取0 4地震影响系数 按 建筑抗震设计规范 GB50011 2001等效折算重力 G 水箱重力 包括水箱自重和水重 0 35支架结构重力 含附属部分重力 参照支架柱弯矩设计值的确定2计算支架内力 4 2 2筒壁式塔身 构造要求配筋 单层外侧 环形钢筋的配筋率 0 2 纵向钢筋的总配筋量不小于0 4 和 12 200 砖壁时沿高4 6m设一道圈梁尺寸不小于240 180 不小于4 18 洞口应加强 所有水塔立柱按角柱配筋 箍筋不宜小于 6 250 砖壁不小于240mm 钢筋混凝土筒壁厚度不应小于100mm 当采用滑模施工时 不宜小于160mm 内力分析1 计算简图 筒壁式塔身可视为竖向悬臂构件计算其内力2 荷载 塔身上作用有水平风荷载 水平地震作用 竖向地震作用和重力荷载 3 附加弯矩 钢筋混凝土筒壁高而细 在水平荷载 施工偏差以及基础倾斜等因素影响下 产生的侧移相对较大 因而使结构自重引起的附加弯矩也会加大 因此在计算内力时应予以考虑 4 2 4塔身截面设计a 柱根据对角线方向及正方向在满荷载和空荷载下求Nmax及和Nmin相应M 按单向或双向偏压计算 若Nmin为拉力 按受拉构件计算 b 横梁按受弯构件计算 c 筒壁式塔身 为偏压环形构件 控制截面在基础顶或某层洞口处 a 砖壁 厚度有地震作用控制 强度等级MU不小于10 M不小于5 b 钢筋混凝土壁 配筋竖向d直径不下于螺纹12 200 La不小于40d 搭接不大于25 环向筋直径d不小于6mm 300mm接头做弯钩 强度等级不小于C20 钢筋为一 二级 3 2 5塔身抗震设计支架式 1 支架式 在水箱下 基础上800mm内和梁柱节点上下一个柱宽及不小于柱高1 6 需配置间距