林 瑾

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900)

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1 300 m3倒錐形保溫水塔的設(shè)計(jì)

林 瑾

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 201900)

介紹了新疆某廠區(qū)內(nèi)倒錐形保溫水塔的工程概況，采用MIDAS有限元軟件，建立了該水塔的分析模型，計(jì)算了水塔的受力情況，提出了水塔的設(shè)計(jì)施工方案，滿足水塔的功能要求。

倒錐形水塔，有限元模型，支筒，彎矩

0 引言

水塔是給水工程中倒錐形水塔，由于其受力合理、造型美觀，便于施工等特點(diǎn)在工業(yè)建筑中被廣泛使用。我國中小型水塔容量多數(shù)在500 m3以下，隨著人們越來越從節(jié)約投資及土地資源角度考慮，水塔呈現(xiàn)大型化趨勢。如何快速、準(zhǔn)確的得到大型水塔在各種工況下的內(nèi)力，對工程設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，計(jì)算機(jī)和有限元技術(shù)的發(fā)展，為這一復(fù)雜問題的研究提供了可應(yīng)用于工程實(shí)踐的可行方法。

1 工程概況

本工程位于新疆某廠區(qū)內(nèi)，由于場地限制需建造一座1 300 m3水塔，根據(jù)外形美觀、受力合理、施工方便原則，經(jīng)過多方案比較后采用倒錐形保溫水塔。水塔水柜底標(biāo)高35.0 m，總高47.6 m；支筒內(nèi)徑5.6 m，壁厚0.4 m，內(nèi)設(shè)5層鋼筋混凝土平臺，平臺梁與支筒采用內(nèi)螺紋聯(lián)接；為節(jié)省內(nèi)筒空間，水柜內(nèi)筒內(nèi)徑1.8 m，壁厚0.2 m；下環(huán)梁內(nèi)徑6.5 m，截面尺寸0.4 m×0.8 m；中環(huán)梁內(nèi)徑21.0 m，截面尺寸(0.3 m～0.55 m)×1.5 m；上環(huán)梁內(nèi)徑7.1 m，截面尺寸0.3 m×0.6 m。倒錐殼高6.8 m，角度45°，厚度0.22 m，根部加腋處厚度0.4 m；上錐殼高2.95 m，18°，厚度為0.15 m；基礎(chǔ)為直徑8.0 m筏板基礎(chǔ)，埋深3.5 m。

水塔剖面如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)分析模型

水塔采用通用有限元軟件MIDAS建立三維有限元模型。支筒采用墻單元模型，水平方向每0.8 m劃分一個(gè)單元，豎向每1.0 m劃分一個(gè)單元；支筒頂部支撐環(huán)板采用板單元模型，厚度1.0 m，中心開直徑1.8 m的檢修孔；水柜及內(nèi)筒采用殼單元模型；支筒底部與基礎(chǔ)聯(lián)接采用剛接。

整體模型如圖2所示，模型剖面如圖3所示。

混凝土的容重取25 kN/m3，水的容重取10 kN/m3；支筒檢修平臺恒載及活載分別折算到支筒梁端然后分別施加到支筒上，水柜里水荷載分別在支筒頂部、下錐殼側(cè)面、內(nèi)筒外側(cè)施加壓力荷載；抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，特征周期Tg=0.40 s；基本風(fēng)壓:0.8 kN/m2，地面粗糙度:B類，基本雪壓:0.8 kN/m2；溫度荷載：考慮10 ℃溫差荷載；頂部氣樓恒載及活載分別折算成線荷載施加于上環(huán)梁上。

3 計(jì)算結(jié)果分析

水塔整體計(jì)算分為滿載和空載兩種工況，支筒底部反力最大值出現(xiàn)在滿載地震組合作用下，其地震作用下反力計(jì)算結(jié)果如圖4所示，限于篇幅，其余工況下底部反力從略。表1列出了支筒在滿水和無水兩種工況下PKPM和MIDAS兩個(gè)軟件計(jì)算得到的支筒底部的內(nèi)力合力。由于PKPM無法準(zhǔn)確模擬水塔外形及實(shí)際受力情況，對水塔及荷載進(jìn)行了局部簡化或等效處理。支筒計(jì)算應(yīng)考慮在風(fēng)荷載、施工偏差、基礎(chǔ)傾斜影響下產(chǎn)生變位后，由水箱重量產(chǎn)生的附加彎矩。MIDAS程序計(jì)算未考慮附加彎矩，將各工況底部反力不利組合后疊加不利組合后的內(nèi)力用于支筒配筋設(shè)計(jì)。

水柜部分環(huán)向拉力包絡(luò)圖如圖5所示，徑向彎矩包絡(luò)圖如圖6，圖7所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，上環(huán)梁為受壓構(gòu)件，中環(huán)梁為受拉構(gòu)件，下環(huán)梁為壓彎構(gòu)件；圖6，圖7顯示上錐殼環(huán)向靠近中環(huán)梁處為環(huán)向受拉，縱向靠近中環(huán)梁處彎矩較大，上側(cè)受拉，其余部分彎矩均較??；下錐殼靠近下環(huán)梁部分為環(huán)向受壓，徑向彎矩在底部急劇增大，這也是下錐殼需在底部加腋處理的原因，下錐殼中部及靠近中環(huán)梁部分彎矩很小，主要為環(huán)向受拉；內(nèi)筒為環(huán)向受壓構(gòu)件。

表1 支筒底部風(fēng)及地震作用下內(nèi)力合力

對于水柜計(jì)算目前可以采用薄膜理論和邊緣干擾理論來計(jì)算。小型水塔采用薄膜理論計(jì)算可以得到滿足工程設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，大型水塔采用薄膜理論對水柜進(jìn)行計(jì)算時(shí)，無法考慮殼體受環(huán)梁約束、殼面轉(zhuǎn)動(dòng)、殼面剛度變化等因素的影響，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差，需采用邊緣干擾理論來計(jì)算。邊緣干擾力的計(jì)算屬于超靜定問題，需通過組合殼體的邊界條件建立協(xié)調(diào)方程來求解，計(jì)算量較大。通過上述計(jì)算結(jié)果顯示，有限元分析可以很好的模擬水柜的實(shí)際受力情況，實(shí)現(xiàn)環(huán)梁與殼體的變形協(xié)調(diào)，快速準(zhǔn)確的得到內(nèi)力分布情況。

4 設(shè)計(jì)與施工

水塔基礎(chǔ)采用天然地基，筏板基礎(chǔ)，地基承載力特征值fak=400 kPa，地基承載力驗(yàn)算時(shí)邊緣最小壓應(yīng)力控制不出現(xiàn)零應(yīng)力，并進(jìn)行沉降驗(yàn)算，基礎(chǔ)采用C35鋼筋混凝土，抗凍等級F150；支筒采用C35鋼筋混凝土，雙層配筋，門洞及窗戶開洞處進(jìn)行局部加強(qiáng)處理；水塔提升就位后，環(huán)板澆筑前采用12個(gè)鋼支架固定水柜，鋼支架與內(nèi)筒及相互間拉結(jié)形成空間結(jié)構(gòu)，在環(huán)板混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前，應(yīng)至少有1/4的吊桿不得放松；水柜及環(huán)梁采用C30鋼筋混凝土，抗凍等級F200，抗?jié)B等級P8，根據(jù)上述

計(jì)算內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算及配筋，并控制裂縫寬度，由于該工程位于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季塔內(nèi)外溫差較大，如不采取保溫措施，溫差產(chǎn)生的應(yīng)力無法通過配筋解決，水柜及頂部均采取保溫措施，水柜外側(cè)采用60 mm厚聚乙烯泡沫塑料保溫板進(jìn)行保溫，頂部采用130厚加氣混凝土保溫層，使計(jì)算溫差控制在10 ℃以內(nèi)，澆筑水柜時(shí)需預(yù)留固定保溫材料的拉結(jié)鋼筋，水柜內(nèi)側(cè)涂刷JS聚合物水泥防水涂料。

支筒頂部設(shè)置了12個(gè)400×400鋼筋混凝土支墩，用于固定提升裝置，此支墩施工單位最終采用提升裝置及提升工藝，施工時(shí)頂部增加了一道環(huán)梁以增加其整體性。水塔施工誤差要求：支筒滑模施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制中心位置，垂直偏差為1‰,且不超過30 mm；支筒外徑誤差不得超過1/500；水箱直徑誤差不得超過1/500，厚度誤差不得超過1/20；筒身和環(huán)板應(yīng)保證圓度，并使兩者同心，其誤差不得超過15 mm。水塔建設(shè)時(shí)在支筒四周設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，觀測水塔傾斜及基礎(chǔ)沉降。

5 結(jié)語

1)本工程自投入使用至今，已運(yùn)行數(shù)年，運(yùn)行狀況良好,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

2)本文結(jié)合實(shí)際工程，介紹了通用有限元軟件在大型倒錐形保溫水塔中的應(yīng)用，為類似工程提供參考。

3)隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水塔呈現(xiàn)大型化，多功能化的發(fā)展趨勢。隨著有限元軟件在工程中的廣泛應(yīng)用，以及在工程背景的推動(dòng)下，如何在更加復(fù)雜及多功能水塔中準(zhǔn)確的利用有限元軟件，有待進(jìn)一步研究和完善。

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The design of 1 300 m3inverted cone insulation water tower

Lin Jin

(Baosteel Engineering Technology Group Limited Company, Shanghai 201900, China)

This paper introduced the engineering general situation of a factory inverted cone insulation water tower in Xinjiang, using the finite element software MIDAS, established the analysis model of the water tower, calculated the force of water tower, presented the design construction plan of water tower, met the function requirement of water tower.

inverted cone water tower, finite element model, chipboard tube, bending moment

1009-6825(2016)12-0043-02

2016-02-17

林 瑾(1981- ),男，碩士，工程師

TU761.3

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