1、 学校代码 10530 学 号 201230131836 分 类 号 TU911 密 级 公 开 硕 士 学 位 论 文 矩形钢筋混凝土水池 的 结构分析与设计 学 位 申 请 人 王昌前 指 导 教 师 陈 俊 副教授 学 院 名 称 土木工程与力学学院 学 科 专 业 建筑与土木工程 研 究 方 向 结构 工程 二零一五年 五 月 Rectangular reinforced concrete structure analysis and design of the pool Candidate Wang Changqian Supervisor Associate Professor C
2、hen Jun College Civil Engineering and Mechanics College Program Structural Engineering Specialization Building and civil engineering Degree Master U n i v ers i t y Xiangtan University D a t e May, 2015 湘潭大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品
3、。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日I 摘 要 在 现代给排水工程中，钢筋混凝土水池作为一类特种结构，广泛应用于
4、污水处理池、排水井、生活蓄水池等。研究表明，水池的造价直接关系到水处理站的运营维护成本，设计人员应在结构布置、建造材料、构件尺寸等分析，得到 “ 最优 ” 方案。 随着工艺条件多样化、技术革新，对水池结构的工艺及建造标准也在逐步提高。国内学者对于混凝土水池的研究手段主要是数值模拟和现场测试，大多数集中在水池裂缝控制处理和水池底板与地基的相互作用上，难以为工程设计提供有效的定量参考。 尤其对于 一些 变壁厚高大水池，带拉梁、扶壁柱水池等结构形式时，设计人员往往分离池壁与底板，简化建模，未考虑池壁与池壁，池壁与底板的相互约束作用，得出的分析结果往往与实际内力分布规律和大小均存在差异，如此，既缺乏安
5、全，又无良好经济性。本文 运 用有限元的相关理论以及软件工具 对 贵州铜仁地区某水 池 设计做了如下工作： （ 1）总结了矩形钢筋混凝土水池结构的设计方法和步骤，对水池建造材料的要求、构造措施、设计时须考虑的荷载工况以及承载能力极限状态下和正常使用极限状态验算做了详细介绍。 （ 2） 拟定四 种 结构设计方案 ：等壁厚方案、突变壁厚方案、渐变壁厚方案以及加设扶壁柱方案。通过同种约束条件， 不同 荷载 工况组合下的数值模拟分析，得出了池壁的 最大 位移 均出现在长向池壁中间顶部位置，且位移最大值表现为：渐变壁厚方案突变壁厚等壁厚方案加设扶壁柱方案，其中两种变壁厚方案位移值比较接近，增设扶壁柱方案
6、通过在 500mm 厚长向池壁上间隔设置扶壁柱有效限制了池壁位移，与等壁厚方案相比，水平位移最大值减少约 37。 （ 3） 通过对四套水池结构池壁弯矩分析可知：水平弯矩在角隅区最大且变幅较大，竖向弯矩在池中间部分最大。角隅区水平弯矩上大下小；竖向弯矩上小下大。根据数值模拟结果分析得出，水池在使用状态下的结构薄弱部分是在角隅处和中间部分的池壁根部，此部分结论与水池设计手册中关于池壁受力的定性描述相符。 （ 4）结合工程实际背景， 分析各结构设计方案适用性，并通过 统计 钢筋和混凝土的用量，比较各水池方案的经济优劣性，建造既经济又合理的水 池，从而达到减少投资的目的。 本文对 长期从事给水排水工程
7、结构设计的人员，在运用现代数值计算手段对矩形钢筋混凝土水池进行复杂受力分析时， 可 起到一定的借鉴和启发的作用。 关键词 ： 水池；结构 方案 ；有限元； MIDAS/Gen； 设计 优化II Abstract In the modern water supply and sewerage engineering, reinforced concrete basin as a kind of special structure, is widely used in reservoir treatment tank, drain well, life, etc. The results show
8、 that the cost of the pool directly affects the operating costs of water stations so that designers try to get the optimal project by analyzing structural layout, selection of materials, component size and so on. With the diversification of technological conditions and technical innovation, the requ
9、ired standards of pool structure are also gradually improved. For domestic scholars there are two main approachess in studying concrete pools: numerical simulation and field test. However they most of them concentrate on crack control processing and the interaction between basin slab bulge and found
10、ation, which is difficult to provides effective quantitative reference for the engineering design. Especially for those pool with the structures like variable thickness wall , pull beam and help pilaster, designers tend to separate the wall and floor, simplify the modeling, not considering mutual re
11、straint between the wall and wall, wall and floor . Therefore the analysis results with actual internal force distribution and the size are different. Also those pool construction are neither safe nor economical. This paper uses the theory of finite element and software tools to do the following wor
12、k on the design of a pool of Guizhou Tongren area。 (1). Summarize the methods and steps of the design structure of rectangular reinforced concrete poolAlso， give an elaborate recommendation ofload construction materials,structural measures, the pool design should be considered and theultimate limit
13、state and serviceability limit state checking in detail. (2). Drawn four structural designing schemes: uniform thickness programs mutation wall thickness program, tapered thickness programs and program Add grab pilasters. Under the same constraint condition, numerical simulation under different load
14、 combination, obtained the maximum displacement occurred at the long wall of the wall in the middle to the top position and the maximum displacement of performance: tapered thickness scheme mutations wall thick uniform thickness programs add grab pilasters program, two variations of the wall thickne
15、ss program in which displacement is close, pilasters supporting the program by an additional 500mm thick long intervals on the wall to help effectively limits the wall studs displacement, thickness, etc. compared to the program, the maximum horizontal displacement is reduced by about 37%. III (3) Ba
16、sed on the analysis of the structure of the four pools wall moment analysis ,the result shows that: the level of the maximum bending moment at the corner area and large amplitude, the vertical portion of the maximum bending moment in the middle of the pool. District level corner Moment big small; sm
17、all great moment on the vertical. Analysis based on simulation results obtained, pool structurally weak part in the use of state is on a qualitative description of the wall by the force of matches in corners and the middle portion of the base wall, this part of the conclusions and “Tank Manual“. (4)
18、 The applicability of structural schemes was analyzed referring to the practical backgroud of engineering.Besides,by statistical anaysis of the amount of steel and concrete, comparative economic advantages and disadvantages of each basin plan, construction is economical and reasonable pool, so as to
19、 achieve the purpose of reducing investment. This paper has long been engaged in water and wastewater engineering design staff in the use of modern means of numerical calculation of reinforced concrete rectangular pool complex stress analysis, it may play a role of reference and edification. Keyword
20、s: pool; structural scheme; finite element; MIDAS/Gen; optimal design IV 目 录 摘 要 .I 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题的提出与研究意义 1 1.2 水池结构的研究现状 2 1.2.1 钢筋混凝土水池概述 2 1.2.2 水池分析设计软件发展情况 4 1.2.3 水池结构计算理论研究现状 5 1.3 本文主要研究工作 5 第 2 章 水池结构设计的基本原理和方法 7 2.1 钢筋混凝土水池材料 7 2.1.1 材料参照标准 7 2.1.2 混凝土的抗渗要求 7 2.1.3 混凝土抗冻性能 8 2.1.4 混凝土
21、酸碱含量要求 8 2.2 水池的荷载及荷载工况组合 8 2.2.1 池顶荷载 9 2.2.2 池壁荷载 9 2.2.3 池底板荷载 11 2.2.4 温、湿度荷载 11 2.2.5 荷载工况分析 12 2.3 承载能力极限状态强度验算 13 2.3.1 地基承载能力验算 13 2.3.2 抗浮验算 13 2.4 正常使用极限状态验算 14 2.4.1 强度验算 14 2.4.2 裂缝验算 14 2.5 钢筋混凝土水池结构设计构造要求 16 2.5.1 钢筋保护层厚度 16 2.5.2 变形缝和施工缝 17 2.5.3 角隅处钢筋配置要求 18 2.5.4 最小配筋率 19 V 2.5.5 钢筋
22、的连接与锚固 20 2.6 本章小节 21 第 3 章 水池工程设计实例的静力分析 22 3.1 工程概况及方案拟定 22 3.1.1 工程简介 22 3.1.2 可行性方案拟定 22 3.2 数值模型的建立 25 3.2.1 MIDAS/Gen 软件的介绍 25 3.2.2 模型单元的确定及参数设置 27 3.3 数值模拟方法验证 28 3.3.1 基本计算准则 28 3.3.2 水池池壁内力计算 29 3.3.3 数值 模拟方法的分析验证 32 3.4 水池结构的位移计算结果及分析 35 3.4.1 水池侧壁下边缘位移结果分析 36 3.4.2 水池侧壁中部位移结果分析 37 3.4.3
23、水池侧壁顶部位移结果分析 37 3.4.4 位移分析结果对比分析 38 3.5 水池结构的弯矩计算结果及分析 39 3.5.1 水池侧壁水平弯矩结果分析 39 3.5.2 水池侧壁竖向弯矩结果分析 41 3.5.3 水池底板弯矩结果分析 43 3.6 本章小结 44 第 4 章 水池方案的经济比较分析 46 4.1 选 取弯矩 46 4.1.1 池壁水平弯矩的取值 46 4.1.2 池壁竖向弯矩的取值 48 4.1.3 底板弯矩的取值 49 4.2 配筋计算 50 4.2.1 通用配筋计算公式 50 4.2.2 截面配筋 51 4.3 经济性分析 53 4.3.1 材料用量 53 4.3.2
24、设计建议 54 VI 第 5 章 结论与展望 56 5.1 本文结论 56 5.2 研究展望 56 参考文献 .58 致谢 .60湘潭大学硕士学位论 文 1 第 1 章 绪 论 1.1 课题的提出与研究意义 水池在市政工程领域的污水处理厂或生活用水净化厂以及居民住宅小区的蓄水池应用广泛，特别对水资源相对匮乏地区的人、动植物用水起重要作用。这类结构由于长期储水或深埋地下，除 需要 在结构构造上特别加强，同时要求有较高的强度和良好的抗渗性及耐久性，以确保结构长期正常使用。在市政工程领域多数水池选用钢筋混凝土建造，用钢筋 混凝土比用砖石或钢等材料修 建水池具有以下优点：便于就地取材，节省费用 ；耐久
25、性好，一般不需要特别维护，维护成本低；整体性好，适用于地震设防区，防水性能良好。 作为专门存储水的构筑物，通常采用弹性薄板理论对水池结构进行计算分析1，它主要是将构成结构的底板、池壁板和地基分离为单独的结构单元分别进行力学分析，其中水池侧壁弯矩根据实体工程简化后的受力 模 型查表，并使用近似的 弯 矩 分配 法 计算 ； 底 板 的 地基 反力 不考虑 地 基 的 弹 性 抗力 作用 ， 扣 除 底板 自重 和池内水重后全部假设为均匀线性分布 2。这种简化的计算方法在某类条件 下缺乏对水池整体受力分布特点的深入了解，与水池结构的实际工作状态存在差异，因而得出的结果并不是很精确，这样对于工程本身
26、有可能会造成浪费或者导致结构偏于不安全 。 在设计行业内，结构设计师根据工艺专业所提条件，按过往的 设计 经验，参考相类似的工程项目，确定结构方案；然后进行强度、刚度、稳定性等 方面的计算及验算。事实上，这里的计算或验算通常仅仅起到一种校核及细节补充的作用，只是证明了原方案的可行性。 通常，水池的结构设计大多通过增加水池侧壁、底板 的 厚度 提高 水池的抗弯承载能力以及 控制裂缝开展 ，以保证设计方案是可行的。 当然，设计者对于不断出现的高大型水池，出于安全考虑和成本考量，总是得 先研究几个可行方案来进行比较，从而对构件布置、侧壁及底板截面尺寸 进行修改，以期得到更为经济合理的方案。但是，往往
27、由于时间的限制、试算工作重复繁琐或设计者个人因素，方案比选这项工作没有得到足够的重视，有时甚至难以操作付之 行动 。 本人在某设计院实习时，参与了某冶炼厂的污水处理站中一高大钢筋混凝土水池的设计。由于设计经验不足，只能在主任工程师指导意见下，再结合前人常规设计方案运用小型的水池软件计算工具箱来完成该水池的结构设计。根据设计院现有条件， 这样的传统设计方式无法实现对该水池全部可能的结构方案都进行数值模拟计算，这种设计是“可行的”而未必是“最优的”。这里所说的“最优”，湘潭大学硕士学位论 文 2 是相对设计者预先设定的要求而言，并且是在若干个可行的方案中，在满足水池结构设计强度和抗裂要求的基础上，
28、以工程材料费用为目标指标，获取结构设计形式最契合工程实际要求且最为经济的结构设计方案。 总而言之，水池作为重要的给水排水工程构筑物， 结构设计的 安全 性 和经济性 尤为重要。国内外对矩形钢筋混凝土水池的结构受力性能分析和优化设计方面的研究工作均做了不少，但随着科学技术及设计条件的发展变 化，最优的准则也在发生变化，而且由于设计行业缺乏有效的结构计算软件对水池进行建模配筋的计算，运用有限元方法对水池的数值模拟分析和设计应用研究的深度和广度较为有限。 因而提出对矩形钢筋混凝土水池结构设计进行分析探讨，找出此类水池 “最优”的结构设计方案，为以后类似水池工程的设计提供借鉴 和参考 。 1.2 水池
29、结构的研究现状 1.2.1 钢筋混凝土水池概述 当前已建成或在建的实际工程中利用较多的矩形钢筋混凝土水池，其对场地环境的适应性 较 强，尤其大型水池和狭长地带建造水池对节省土地和减少土方开挖量都有意义；而且它便 于在建造池体的基坑上清理整平地基，使得后续绑扎钢筋、支模简单明了，在某种程度上节省 了 机械台班和人工费用，降低了设计及施工难度。同时，由于钢筋混凝土本身的材料属性，钢筋混凝土水池还具备良好的抗老化破损，耐酸、碱、氧化物腐 蚀、抗渗性能以及承受尖锐、厚重物体撞击的能力。因而矩形钢筋混凝 土水池 广泛应用 于 矿石采选工程、金属联合冶炼工程等工业和民用蓄 水、污水处理站中 3。 水池结
30、构使用 范 围广， 类 型多， 一般可以将水池结 构分别按照 建筑材 筑 料 、平面形状、 使 用条件、安置位 置 、 施工工艺做如下分类： 1、 按 建筑材料 分为：钢制水池 、 混凝土水池、砖石水池、橡胶水池等。 2、 按平面形状分为： 多 格 水池、单格水池、 矩 形水池、 圆 形水池、 密闭 水池、 开 口水池等。 3、 按使用条件分为：有 顶 盖水池、无顶盖水池。 4、 按结构组成分为：等壁厚水池、变壁厚水池、加设扶壁柱 或 连梁水池等。 5、 按安置位置分为：地下式水池、 半地下室水池、地上水池、 高 架式水池 。 6、 按施工工艺分为： 整 体现浇式水池、 预 制拼装式水池、 装
31、 配整体式水 池。在整体 现 浇式水池中，又可分为 普 通钢 筋 混凝土水池与 预 应力钢筋混凝土水池。 设计院按惯例设计水池时，首先须确定水池的大小、平面形状。水池的容积通常由工艺设计专业所提出的条件决定。对于废水处理净化池，比如：初沉池、湘潭大学硕士学位论 文 3 沉淀池、初期雨水池、集水调节池等常常需要几千上万立方米才能满足要求；而小型民用蓄水池，比如：水池、水 箱、水塔等就只需几百上千立方米就够了。水池的形 状 设计时，要 综 合考量建筑 场 地情况、工艺专业要求和施工技术水 平 、结构受力分 布 特点以及经济性等各方面因素。常见的水池形状有矩形、不规则多边形、圆 形等 4 综合比较各
32、种平面形状的水池发现：就场地环境来讲，矩形水池对场地因 素的适应性强、占地面积小。从经济角度来说，在水池高度为 3.55.0m 时，对于单个水池，容积大于 33000m ，采用圆形平面形状的水池池体承受环向的拉力作用，因而受力合理、节约材料，能有效的抵抗冲击荷载和地震荷载。圆形水池施加预应力 5时，预应力损失小，张拉效果好，一般来说比矩形水池经济性好，因而在中小型规模的水池中时常 会 用到。 在水池的建造中，针对圆形平面的水池，研究其顶、底两板，可考虑将其视为薄壳结构来进行分析。关于薄壳结构，实 际上是指那些厚度远 小于平面长宽尺寸的板件，这种情况中对材料的消耗，相较于其他结构 要少得多。不仅
33、如此，当梁的横跨较大时，由于薄壳结构良好的力学性能， 可减少 主梁或次梁间支撑柱的设立，甚至 可 不设立。当然，薄壳结构虽然力学性能较好，但是，这种结构也有一些较明显的缺陷：第一， 对于薄壳结构，它的施工程序及质量要求都十分高，模板的制作过程也相当 复杂，由此，对于材料的消耗量也随之增加；第二，在水池的设计中，采用薄壳结构会相应地增加水池的整体高度，这样不仅增加了整个水池建造的工程量，还增加了施工过程中一些不确定的因素。因而， 地下式水池的建设工程中采用薄壳结构时，我们应该采取相关的措施来降低水池整体的设计高度，以及薄壳结构自身的矢高，从而避免这种结构各方面的缺陷。 对于建造在地面以下的地下式
34、水池，抗震性能较好，并且受到天气因素和气候变化的影响较小，例如在寒冷地区的清水池，有顶盖水池可通过池顶覆土保温，有效的防止冻裂。另外，由于水池外部土的侧向土压力可以部分抵消掉池体内液体产生的流体侧压力，因而地下式水池即使在满水状态时，池壁长期也是处于低拉应力状态，这类应力情况对于水池的抗渗、抗冻害性能、防腐蚀性能以和耐久性都是有利的。同时，在 采用全地下式或者半地下式水池时，还可以避免水下施工，减少地下水对水池的浮力，所以，条件若是准许，全地下式或者半地下式水池应当尽量采用。在地下式水池设计时，需要注意其埋深，若是水池的埋置深度过大，会致使池顶以及池底的荷载过大，需增强结构构件强度，从而导致材
35、料过多消耗。一般来说，地下式水池的埋置深度宜不小于建造场地的场地土的冻结深度 67891011。 混凝土材料由于其固有的力学特质，抗拉能力弱，是一种很容易开裂的材料。湘潭大学硕士学位论 文 4 裂缝的存在和发展，除了影响构 (建 )筑物的体外美观，使得对应部位构件的承载力 遭到一定程度的削弱；同时结构物裂痕还会引发漏水渗透、剥落保护层、锈蚀钢筋、碳化混凝土、降低持久强度，甚至危及建筑物的正常使用和缩短构 (建 )筑物的使用寿命。对于钢筋混凝土水池，鉴于其所处的环境条件不同于一般的钢筋混凝土房屋结构，除了 需要 满足耐久性要求，还要满足抗渗性能的要求 ，所 以钢筋混凝土水池对于裂缝的预防控制比房
36、屋建筑结构更为严格 12。 由于水池结构需要长时间储存液体，因此除了在结构构造上需加强外，同时要求有较高的结构整体强度以及良好的抗渗性和耐久性，以确保结构长期正常使用。对于某些用于 储存 腐蚀性液体的水 池还需要满足一定的抗化学腐蚀。这些液体凡与池体的任何部分接触均应视其侵蚀程度采取涂抹沥青或其它防腐材料或者衬砌防腐瓷砖等相应的防腐措施。 水池结构主要由底板，池壁， 顶 板以及扶壁柱、连系梁、池壁环向梁、过道板等构成。其中，底板和顶板采用的平板结构便于现场施工，能够有效的节约空间，降低水池的高度和埋深。当跨度较小的水池，顶板可以采用四周支撑式的平板结构；对于跨度太大 的水池 ，需要增加辅助支撑
37、柱形成无梁顶板结构。顶板部分可以采用现浇结构也可以是预制拼装，而水池底板一 般都会采用整体现浇式结构。当地基情况良好，地下水位低于底板底 面 标高时，可以考虑选用分离式底板。分离式底板指分离缝设置在底板与支柱基础之间，分开考虑底板与支柱基础的受力，通过构造要求确定底板的厚度以及配筋，并单独计算支柱基础与池壁基础。 从结构形式上说，目前国内采用矩形形状的中小型水池，大多采用等壁厚板式受力 形式 ，设计计算简便，一些常用软件就能分析，现场施工难度不高，与变壁厚式水池相比，整体增加的费用不是太多。但是，对于某些高大水池，根据水池内力大小及其分布特点，若还采用等壁厚板式受力 形式 ，所增加的工程 费用
38、过高 ，造成材料浪费，不适应于水池结构改进、良好发展的趋势。当然，若采用变壁厚板式水池，目前国内尚缺乏专门的通用结构设计软件，给设计分析增加了困难。 鉴于以上，在进行水池的设计计算时，应当综合考虑生产工艺流程、水文地质条件、气候温度、施工技术以及使用条件等情况，以这些情况为依据合理选择水池的形状与结构形式，使得整个水池的建造和使用过程中满足安全、适用、耐久和经济的要求 13。 1.2.2 水池分析设计软件发展情况 随着信息科学技术的飞速发展、计算 机应用的迅速普及以及现代数值计算理论的日益成熟，国外已经开发出 较 多专业和通用的有限元计算软件，并越来越多的人开发或 将 有限元计算程序 运用 到
39、水池设计分析中。然而由于这些软件的前后湘潭大学硕士学位论 文 5 处理比较复杂，与规范衔接性差，针对 性弱，计算成果难以直接用于工程设计。因此有很大局限性，设计者仅 会参考计算结果，再自行绘制施工图 14151617。 目前，行业内可见到的设计软件有探索者水池辅助设计程序 -TSTK(北京探索者软件公司开发 )、世纪旗云水池 (北京世纪旗云软件技术有限公司开发 )和 PKPM程序 (中国建筑科学研究院开发 )等，这些软件仅仅有些许单一的计算模块或计算程序，非系统、集成的水池专 用结构设计软件，对于一些新型的或是处于复杂环境下水池难以实现精确的建模、计算、配筋、绘制施工图。 1.2.3 水池结构
40、计算理论研究现状 矩形水池实际是空间结构 ，其自身约束条件和外部环境都十分复杂。如果我们考虑水池各板块之间的相互作用问题，这就需要进行空间结构上的整体分析，分析的方法如：弯矩分配法、单元板力法、单元板位移法、等代框架法、有限差分解法、有限单元法等都属于目前应用较为广泛和成熟的方法。 对此，国内有不少相关论述。 2001 年，杨绮帆等用结构分析的综合离散法及有限单元法，计算某水池壁板的强度和变形， 给出其变形及内力分布图 18。 2003年，苏小卒、戴北山对 Winkler 弹性地基上的矩形水池底板，用量纲分析和有限元计算的方法，提出了弯矩、刚度、传递系数和板边反力的计算用表，并提出了将其用于空
41、间整体弯矩分配法进行弹性地基上矩形水池内力计算的实用方法 19。2007 年，黄超等针对某地污水处理池渗漏现象，使用通用有限元分析软件SAP2000 建立该水池模型，通过计算得出其受力最不利位置，再对其进行结构受力和裂缝分析，得出结构渗漏的关键问题所在 20。 2008 年，唐颖栋等从矩形混凝土水池角隅处结构优化设计的角度出 发，采用可视化有限元软件 VisualAnaly-sis，对不同高宽比和结构模式的水池角隅处受力情况进行建模分析，得到角隅处受力的分布特点。通过与规范方法比较，提出了角隅处加强区域的结构设计新观点 21。2013 年，吴晨旭结合工程实例，采用有限元软件对多格水池进行了系统
42、的计算和分析，计算考虑了温度作用，通过有限元计算结果和规程简化计算结果对比分析，指出在考虑温度作用时，两者结果相差较大，有条件的设计人员应优先采用有限元程序进行计算 22。 当前矩形水池结构在理论分析、设计软件开发、现场施工和工程应用等多个方面开展了一定的研究，但分析软件与设 计软件、电算和手算两两之间均难以有机结合起来发挥各自的优势 为水池这类工程提供实操性的指导。 1.3 本文主要研究工作 本文针对矩形钢筋混凝土水池结构目前的研究与应用现状及存在的问题，结合某污水处理站项目水池设计工程，运用有限元软件 MIDAS/Gen 着重 对 该水池湘潭大学硕士学位论 文 6 若干个可行的结构设计方案
43、进行建模分析探讨，定量得出 “ 最优 ” 的 结构设计方案 。 主要工作包括以下几个方面： 1、本文通过收集相关资料，介绍了矩形钢筋混凝土水池结构的相关计算理论和设计软件的发展现状，指出了目前仍存在的一些 不足，从而提出本文的研究目的及意义。 2、论述矩形钢筋混凝土水池结构分析设计概论性的知识，包括基本原理和方法。以工程实例为背景，拟定若干个可行的钢筋混凝土水池结构设计方案，并作简要分析介绍。 3、依据规范要求，运用有限元软件 MIDAS/Gen 对各方案建立空间整体计算模型，对比分析各方案池壁及底板的位移大小和弯矩分布情况。 4、根据模型计算结果，选取配筋计算弯矩值， 在 满足 极限 承载力
44、和正常使用状态下得到合理的配筋量，并通过材料用量来进行技术经济分析，得出“最优”设计方案，再对该类水池设计方法提出建议。 湘潭大学硕士学位论 文 7 第 2 章 水池结构设计的基本原理和方法 敞口式矩形钢筋水池主要受力构件为底板及壁板，矩形板长向尺寸与厚度的比值约为 / 1/8hb 1/5，平面外刚度小，属于弹性薄板构件。水池整体结构的设计及计算，首先应在满足工艺设计须求的前提下，做到受力明确，布局合理。综合考虑水池的池壁板与底板、顶板之间存在着的相互作用、池壁之间的相互约束，并在外部复杂荷载及其荷载工况组合的作用下，求解出满足强度规定、结构稳定要求及裂缝宽度限值的水池结构。 2.1 钢筋混凝
45、土水池材料 2.1.1 材料参照标准 水 池建造中所需钢材的设计指标应按钢结构规范 GB50017-2003 规定采用；混凝土、钢筋的设计指标应按混凝土规范 GB50010-2010 规定采用，其中混凝土强度等级不低于 C25，严寒和寒冷地区不低于 C30。 2.1.2 混凝土的抗渗要求 抗渗等级 P：以 28d 龄期的混凝土标准试件，通过标准试验方法实验检测其所能承受的最大 静水压力 来确定。混凝土的抗渗等级分为 P4、 P6、 P8、 P10、 P12五个等级，相应表示能抵抗 0.4、 0.6、 0.8、 1.0 及 1.2MPa 的静水压力而不渗水。抗渗混凝土为抗渗等级 P6 的混凝土。
46、 混凝土的骨料应质地达标，含泥量小，满足级配要求，粗骨料粒径应小于40mm ，且低于最小断面厚度的 1/4 ，水灰比不应大于 0.5 ，结构中混凝土的设计抗渗等级要求应按表 2.1 采用。 表 2.1 混凝土抗渗等级 P 的规定 水池埋置深度 (m) 设计抗渗等级 P 10 (10) P6(S6) 1020 (1020) P8(S8) 2030 (2030) P10(S10) 30 (3040) P12(S12) 湘潭大学硕士学位论 文 8 2.1.3 混凝土抗冻性能 混凝土的抗冻等级应进行试验确定，并应按表 2.2 的要求采用。最冷月平均气温不高于 3的区域，水池结构中无防护措施的外露混凝土
47、应具备良好的抗冻害性能。 表 2.2 混凝土的抗冻等级的规定 结构类别 作用位置 地表水取水头部 其他 工作 气候条件 总的冻融循环次数 外露的水池等 10 10 最冷月平均气温低于零下 10 F300 F250 F200 3 1 0最 冷 月 平 均 气 温 低 于 F250 F200 F15 在民用建筑热工设计规范 GB50176-93 中查取最冷月平均气温。基本上除东北、西北和华北的大部分 地区外，其他地区不需要考虑混凝土抗冻要求。 2.1.4 混凝土酸碱含量要求 水池混凝土中可根据需求适量添加外加剂，但不得采用氯盐作防冻 剂 。对由火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥拌和的抗冻混凝土不
48、得加入早强剂。水池接触介质的 pH 值 (酸碱度 )不高于 6.0 时，应按工业建筑抗腐蚀设计规范GB50046-2008 的规定或根据专门试验确定防腐措施。水池混凝土的最大碱含量应符合“混凝土碱含量限值标准”的限值规定。 2.2 水池的荷载及荷载工况组合 水池结构上的荷载可分为三类：可变荷载作用、永久荷载作用和偶然荷载 作用。其中，可变作用应包括地表水或地下水的压力、浮托力、侧压力、融冰压力、流水压力、结构构件的温湿差所产生的内力。永久作用应包括水池和恒久性设备的自重、侧面土压力和覆土竖向压力及水池内部的液体压力。偶然作用系指在使用期限内不一定出现 ，但发生时 负载值很大且持续时间短促的突然荷载，例如沉重坠落物的撞击力等，应根据工程实际情况确定需要计入的偶然发生的作用。主要荷载如图 2.1 所示。 湘潭大学硕士学位论 文 9 图 2.1 矩形水池荷载示意图 2.2.1 池顶荷载 对于埋置在地下的封闭盖板式混凝土结构水池，顶板上的永恒荷载包含竖向覆土压力 、防水层及顶板自重。其中竖向土压力可根据覆土厚度和土的
