1 300 m3倒錐形保溫水塔的設計

林 瑾

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900)

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1 300 m3倒錐形保溫水塔的設計

林 瑾

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201900)

介紹了新疆某廠區內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，計算了水塔的受力情況，提出了水塔的設計施工方案，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，便于施工等特點在工業建筑中被廣泛使用。我國中小型水塔容量多數在500 m3以下，隨著人們越來越從節約投資及土地資源角度考慮，水塔呈現大型化趨勢。如何快速、準確的得到大型水塔在各種工況下的內力，對工程設計人員提出了更高的要求，計算機和有限元技術的發展，為這一復雜問題的研究提供了可應用于工程實踐的可行方法。

1 工程概況

本工程位于新疆某廠區內，由于場地限制需建造一座1 300 m3水塔，根據外形美觀、受力合理、施工方便原則，經過多方案比較后采用倒錐形保溫水塔。水塔水柜底標高35.0 m，總高47.6 m；支筒內徑5.6 m，壁厚0.4 m，內設5層鋼筋混凝土平臺，平臺梁與支筒采用內螺紋聯接；為節省內筒空間，水柜內筒內徑1.8 m，壁厚0.2 m；下環梁內徑6.5 m，截面尺寸0.4 m×0.8 m；中環梁內徑21.0 m，截面尺寸(0.3 m～0.55 m)×1.5 m；上環梁內徑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；基礎為直徑8.0 m筏板基礎，埋深3.5 m。

水塔剖面如圖1所示。

2 結構分析模型

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劃分一個單元，豎向每1.0 m劃分一個單元；支筒頂部支撐環板采用板單元模型，厚度1.0 m，中心開直徑1.8 m的檢修孔；水柜及內筒采用殼單元模型；支筒底部與基礎聯接采用剛接。

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、下錐殼側面、內筒外側施加壓力荷載；抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第二組，特征周期Tg=0.40 s；基本風壓: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梁上。

3 計算結果分析

水塔整體計算分為滿載和空載兩種工況，支筒底部反力最大值出現在滿載地震組合作用下，其地震作用下反力計算結果如圖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兩個軟件計算得到的支筒底部的內力合力。由于PKPM無法準確模擬水塔外形及實際受力情況，對水塔及荷載進行了局部簡化或等效處理。支筒計算應考慮在風荷載、施工偏差、基礎傾斜影響下產生變位后，由水箱重量產生的附加彎矩。MIDAS程序計算未考慮附加彎矩，將各工況底部反力不利組合后疊加不利組合后的內力用于支筒配筋設計。

水柜部分環向拉力包絡圖如圖5所示，徑向彎矩包絡圖如圖6，圖7所示。

由計算結果可知，上環梁為受壓構件，中環梁為受拉構件，下環梁為壓彎構件；圖6，圖7顯示上錐殼環向靠近中環梁處為環向受拉，縱向靠近中環梁處彎矩較大，上側受拉，其余部分彎矩均較小；下錐殼靠近下環梁部分為環向受壓，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梁部分彎矩很小，主要為環向受拉；內筒為環向受壓構件。

表1 支筒底部風及地震作用下內力合力

對于水柜計算目前可以采用薄膜理論和邊緣干擾理論來計算。小型水塔采用薄膜理論計算可以得到滿足工程設計的計算結果，大型水塔采用薄膜理論對水柜進行計算時，無法考慮殼體受環梁約束、殼面轉動、殼面剛度變化等因素的影響，其計算結果與實際情況存在一定偏差，需采用邊緣干擾理論來計算。邊緣干擾力的計算屬于超靜定問題，需通過組合殼體的邊界條件建立協調方程來求解，計算量較大。通過上述計算結果顯示，有限元分析可以很好的模擬水柜的實際受力情況，實現環梁與殼體的變形協調，快速準確的得到內力分布情況。

4 設計與施工

水塔基礎采用天然地基，筏板基礎，地基承載力特征值fak=400 kPa，地基承載力驗算時邊緣最小壓應力控制不出現零應力，并進行沉降驗算，基礎采用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行局部加強處理；水塔提升就位后，環板澆筑前采用12個鋼支架固定水柜，鋼支架與內筒及相互間拉結形成空間結構，在環板混凝土強度未達到設計強度之前，應至少有1/4的吊桿不得放松；水柜及環梁采用C30鋼筋混凝土，抗凍等級F200，抗滲等級P8，根據上述

計算內力進行計算及配筋，并控制裂縫寬度，由于該工程位于嚴寒地區，冬季塔內外溫差較大，如不采取保溫措施，溫差產生的應力無法通過配筋解決，水柜及頂部均采取保溫措施，水柜外側采用60 mm厚聚乙烯泡沫塑料保溫板進行保溫，頂部采用130厚加氣混凝土保溫層，使計算溫差控制在10 ℃以內，澆筑水柜時需預留固定保溫材料的拉結鋼筋，水柜內側涂刷JS聚合物水泥防水涂料。

支筒頂部設置了12個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，施工時頂部增加了一道環梁以增加其整體性。水塔施工誤差要求：支筒滑模施工時，應嚴格控制中心位置，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；筒身和環板應保證圓度，并使兩者同心，其誤差不得超過15 mm。水塔建設時在支筒四周設置沉降觀測點，觀測水塔傾斜及基礎沉降。

5 結語

1)本工程自投入使用至今，已運行數年，運行狀況良好,達到了預期設計效果。

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

3)隨著我國國民經濟的發展，水塔呈現大型化，多功能化的發展趨勢。隨著有限元軟件在工程中的廣泛應用，以及在工程背景的推動下，如何在更加復雜及多功能水塔中準確的利用有限元軟件，有待進一步研究和完善。

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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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