某钢筋混凝土水池角隅受力优化设计

目前我国对生态环保的重视程度日益增加，污水处理厂的建设规模和数量有较大提升。新建的钢筋混凝土水池在化工、医药、环保及市政等领域都有广泛的应用。 对于钢筋混凝土水池，目前常规的设计计算方法是根据《钢筋混凝土水池设计计算手册》给出的公式，通过查表计算池壁长度和高度方向上的弯矩，并得出对应的配筋结果，简称查表法。但目前常用的查表法存在问题，这样的设计虽然能够满足结构安全，但计算结果偏于保守，不够准确，而且容易造成浪费，不够经济。

在此背景下，对水厂中的钢筋混凝土水池进行精细化设计具有现实意义。角隅处的配筋能够占到水池池壁配筋的1/4，角隅配筋的处理对工程安全性和经济性有较大影响，其重要性不可忽视。因此，需要通过有限元分析的方法，对角隅处受力进行细化，从而对其配筋进行优化。

本研究结合工程实践，以聊城市某接触消毒池为例，运用midas GEN和ABAQUS有限元软件进行计算，以实现角隅处的定量分析和优化设计。

1 工程概况

1.1 水池基本情况

根据该项目的地勘报告结果，该水池的持力层选在第二层粉质粘土层，地基承载力120kPa。 该水池平面尺寸长26.6m，宽15.3m，高5m，底板厚度0.6m，根据池壁厚度不同外挑0.5m或0.6m。 该水池采用C35混凝土浇筑，抗渗等级P6，钢筋采用HRB400级。 水池平面布置如图1所示。

   

图1 水池平面布置示意

1.2 midas GEN有限元模型建立和分析

根据水池的基本情况，利用midas GEN软件进行建模分析。这个水池属于地上的矩形敞口水池，上部没有顶板，因此只需对其底板设置固定边界条件。在模型中建立板单元，这里的板都是薄板，程序自动划分四边形网格，大小约为0.5m×30.5m，设置了壁板内侧水工况。midas GEN有限元模型如图2所示。

   

图2 midas GEN有限元模型示意

就水平向来看，角隅处上部水平弯矩较大，池壁中部上端变形较大。因此，下面将根据不同的池壁板块情况，以角隅处为主要研究对象，分情况进行分析。

2 midas GEN有限元受力分析

2.1 不同池壁板块受力情况

不同部位手算与模型弯矩结果见表1。对于池壁板块A，其高宽比大于3，可按照竖向单向板考虑。传统方法手算池壁角隅处的横向弯矩为134kN·m，程序给出的计算结果仅为75.7kN·m，显然还有优化空间。

表1 不同部位手算与模型弯矩结果            kN·m

   

对于池壁板块B，考虑中间隔墙的嵌固影响，其单块池壁板块B1高宽比为0.8，由公式计算出的弯矩应为30.5kN·m。而池壁板块C1，其单块高宽比为1.6，由公式计算出的弯矩应为18.8kN·m。根据力矩分配法的有关要求，其接受池壁板块A传递的弯矩后，角隅处弯矩与公式计算结果相比应有所加大。传统的计算方法容易忽视这一点，导致角隅弯矩的计算结果偏小且数值不连续。

不难看出，对于受力较大的池壁板块，传统方法给出的数据仍较保守，而对于受力较小的池壁板块，弯矩传递的作用也不可忽视。

2.2 薄弱部位应力情况

对于池壁板块A的水平向应力，应力分布分别在角隅处高度方向2m范围、水平方向1.5m范围内较大，之后有所减小。在高度方向上，其从–1.39Mpa下降到–1.2Mpa，在2m范围内便下降了13.7%；在水平方向上，其下降到–0.93MPa，在1.5m范围内下降了33%。

对于池壁板块B的水平向应力，应力分布高度方向上在距角隅处高度方向1.5~2m范围内较大，之后有所减小。其从1.34MPa下降到1.02MPa，在1.5~2m范围内便下降了23.9%。水平方向上集中分布不足0.5m，下降更为明显。

对于池壁板块C的水平向应力，与池壁板块B的应力分布有相似之处，在距离角隅处较近的范围内应力略有集中，之后便迅速下降。两隔墙中间的部分应力相对较小，配筋可以减少。

池壁板块A与B相交侧应力分布与高度的关系如图3所示。

   

图3 池壁板块A与B相交侧应力分布与高度的关系

目前常规的角隅加强筋配置方法是，在高度方向上要全高配置，在水平方向上配置长度为高度的1/3。图3的数据显示，这样的配筋方式是不经济的。在布置加强筋时，在高度方向上布置到高度的30%~40%，在水平方向上配置长度为高度的20%~30%即可。这样的配筋结果较为经济合理，且能够与有限元计算结果吻合。

3 ABAQUS有限元受力分析

3.1 模型建立与应力分布情况

在完成对水池受力的宏观分析的基础上，为了对水池池壁和角隅处受力有更加深入的认识，运用ABAQUS有限元软件进行更为精细的微观单元分析。

ABAQUS模型的外观数据均与midas GEN模型相同，为减少运算量只建立了池壁板块A、B间交角进行研究。此时的模型只建立了双层双向钢筋网，没有建立横向加强筋，目的是为后面的论述提供对照，称此为对照组。

根据参考文献给出的数据，建立相应的混凝土和钢筋的本构模型和截面属性，然后定义荷载、约束和边界条件，按照混凝土0.3、钢筋0.1的种子大体数目划分网格，建立如图4所示的模型。

   

图4 ABAQUS模型示意

分析对照组钢筋的应力分布情况可知，板内的钢筋应力分布范围较大。从角隅处受力来看，上部的受力较大，下部的受力则不明显，应力分布宽度也在随高度下降而逐渐下降。

3.2 模型钢筋应力分布对比

3.2.1 添加抹角后的应力分布

在讨论增加水平向加强钢筋前，考虑添加抹角也是对池壁角隅处应力分布进行优化的选择，称此组为抹角组。在对照组的基础上，建立0.2m×0.2m抹角模型。 与未添加抹角的对照组相比，抹角组在池壁板块A的水平向的应力分布范围有所减小。

因此，添加抹角是一种行之有效且性价比较高的优化方式。

3.2.2 添加传统横向加强筋后的应力分布

按照常规的横向加强筋配置方法，需在角隅处全高配置d16@200横向加强筋，长度为高度的1/3，约1.67m，称此组为常规组。

在不设置抹角的情况下，可以看出，常规的配筋在底部和池壁板块A的水平向确有富余，这就为优化提供了空间。

3.2.3 添加优化横向加强筋后的应力分布

在常规组的基础上，建立优化加强筋模型，但加强的高度只建立到池壁1/5高度，即1m，而不是传统的全高高度，长度也只有1/5高度所对应的长度，称此组为加强组。加强组加强筋所在部位如图5所示。

   

图5 加强组加强筋所在部位示意

与常规组相比，在节省加强筋的情况下，板内的钢筋分布范围有所缩小，钢筋应力并没有太大增加。说明常规组的配筋方式不够经济，钢筋性能没有得到高效利用，对其进行优化是有必要的。

4 结论

根据上文的论述，可以得到以下结论。

（1）池壁的应力在角隅处较为集中，但常规的角隅加强筋配置不够经济。加强筋的高度和长度只需要达到池壁高度的1/5，就可以满足设计要求，同时可以在不显著增加钢筋应力的前提下减小钢筋应力分布范围。

（2）在池壁交角处添加抹角也可使池壁应力分布范围减小，与增配加强筋的方法相比，其性价比较高。