摘 要:重点阐述球形水塔的设计简况和倒锥壳水塔设计的改进建议,并简述基础形式的选用。
关键词:球形水塔设计;倒锥壳水塔;建议
1 概述
国内常用的水塔结构形式有筒壳锥顶式、英兹式、倒锥壳式、球壳式等,其中前两种水塔造型欠美观,采用者较少;后两种水塔具有造型美观、结构合理,施工工艺先进、施工周期短且造价较低等优点,被广泛采用。目前,人们对水塔的造型美观和多功能使用方面的要求逐步提高,希望水塔起到美化环境作用,能具有多种用途的功能,将供水与旅游观光、通讯电视等使用功能相结合,成为多功能使用的综合塔;有的还希望水塔能成为当地具有民族特色或突出该城市特点的建筑物,但这些形式的水塔还处于起步阶段。本文则主要对目前采用较多,且造型又比较美观的球形水塔和倒锥壳水塔设计和设计改进阐述如下。
2 球形水塔设计
球形水塔主要是指这种水塔的水箱为球形壳体结构,球形水箱按其外形分类有圆球形、扁球形、椭球形等,按采用的建筑材料分类可分为钢球形和钢筋混凝土球形等。球形水塔的支承结构有圆筒式、锥筒式、曲筒式、框架式、网架式等结构形式。经研究分析并结合我国的情况考虑,兼顾造型美观、结构受力合理、施工简便、造价合理等因素,并通过在成都、乌鲁木齐、天津、石家庄、芜湖、信阳等地的工程设计工作,进行总结、改进,并对部分容量编制了钢球形水塔和钢筋混凝土球形水塔铁路通用图进行推广。
2•1 钢球形水塔设计要点
(1)设计简介
钢球形水塔具有造型新颖美观、质量轻、施工不受季节限制、施工周期短,抗震性能好等优点,但也有防腐性能较差和日常维修工作频繁、维护费用高等缺点。钢球水塔的保温,通过多年的试验表明,利用冰层作为钢水箱保温层的方法是一种行之有效的保温方法。其支承结构有两种,一种是钢筒壁支承,另外一种是钢筋混凝土筒壁支承,可根据需要选用。
(2)钢球水箱设计
钢球形水箱生产工艺采用胀压成型工艺,这种工艺不需要事先将片体压成设计弧形,即将平板片体焊接为多棱体球,然后注水加压,使其变形成为圆滑的球形体,同时通过加压还可以检验球体是否渗漏和焊接质量。钢球水箱的球体直径和钢板厚度根据容量、计算和构造要求选用。通过计算,钢结构水箱一般都可以满足强度要求,其重点应满足球形水箱支承部位的结构稳定(屈曲)的计算和构造要求,球体可按环形支承线荷载计算球形结构强度和稳定,并在球体内设加劲肋板,外表面也可根据需要设纵向肋板等加固措施,使球体支承部位受力面积加大,减少应力集中现象,并通过加劲肋板传力达到球壳内应力分布均匀的效果。
(3)支承结构设计
①钢支筒设计 钢水箱的筒壁支承结构可以采用带肋的钢筒壁支承,上部设弧形肋承托,不但外形美观而且可使球形支承稳固可靠,避免球下部局部变形失稳屈曲(图1)。也可采用等直径的钢筒壁结构支承,加劲肋设在筒壁内部,使塔外形挺拔秀美。
②钢筋混凝土支筒设计
钢筋混凝土筒壁支承结构的刚度较大,钢球水箱与钢筋混凝土筒壁组成的混合结构,扩大了钢球形水塔的使用范围。钢筋混凝土支筒的直径可根据水箱容积和高度,选择不同直径、不同厚度筒壁的支筒。
2•2 钢筋混凝土球形水塔设计要点
(1)设计简介
钢筋混凝土球形水塔经久耐用、结构比较新颖美观,其水箱为球形壳体结构(双向曲面壳体),施工相对困难,模板消耗较多,若在寒冷地区采用,需设保温层,这将为球形水箱施工带来更多困难。钢筋混凝土球形水塔加上外装修的装饰后,风格别具一格。若在球形观光水塔设计中,在水箱上部一定高度上增加观光台,再加上夜晚的灯光,其效果达到既美观,又可观赏城市风光。在成都火车南站,结合当地酷爱足球的特点,提出了设计为钢筋混凝土球形水塔,外装修图饰为足球,现已建成,成为当地一景(图2)。
(2)水箱设计
钢筋混凝土球形水塔的水箱结构形式可设计为拼装式和现浇式两种。拼装式水箱按上下分割为两部分,每部分根据容量设计为8~16块,各拼装块为扇形带肋的球壳,可在地面预制。拼装缝宽200 mm左右,各块的肋梁上预埋铁件作为临时定位拼接之用,边肋四周配筋外露长度150~200 mm。拼接后焊接牢固并配纵向钢筋相连为一体。拼装缝采用膨胀水泥细石混凝土灌缝。现浇式球形水箱采用木模板施工,下部40°倾角范围内和上部40°倾角范围内可分别采用单面模板施工,即无内模板或无外模板,中间部分采用双层模板施工,但可考虑上下壳互用。
(3)支承结构设计
水塔的支承结构为钢筋混凝土结构,一般可设计为支架结构和支筒结构。支架结构可设计为拼装式或现浇式,从支架外形上也可设计为等刚度的或变刚度的(即上下部直径不变或有变化的),支筒结构也可设计为等刚度或变刚度,支筒直径的大小既要满足本身的强度和刚度要求,又要考虑施工简便、外型美观等。目前考虑到施工方便,多采用等直径的筒壁结构。
2•3 球形水塔结构计算要点
球形水箱的结构计算应满足结构强度和抗裂要求。球形水箱结构计算可用简便适用的薄膜内
力分析法计算,可不考虑水箱自身稳定性验算,但支承边缘处球体内力复杂,根据设计经验可采取构造加强措施进行加固,以保证结构安全;也可按边缘干扰理论进行内力分析,但计算繁琐。根据经验,可简化计算,不考虑水箱自重,仅考虑水压。也可按实际水压及自重共同产生的内力计算。若仅考虑满水压力产生的内力,则球形水柜计算公式如下:
水的法向压力
pr=γa(1-cosφ) (1)
球壳结构内力应满足下面公式
nφ/a1+nθ/a2= pr(2)
球形水柜a1=a2=a,代入公式(2)得nφ+nθ=pr•a (3)
轴对称荷载的径向力可推导为
nφ=γ•a2sin2φ∫(1-cosφ)cosφ•sinφdφ+ c
(4)
经进一步推导,可求得如下。
当φ=φ0以上部分(φ<φ0)时,公式为
nφ=γ•a26×1-cosφ1+cosφ(1+2cosφ) (5)
nφ=γ•a26×1-cosφ1+cosφ(5+4cosφ) (6)
当φ=φ0以下部分(φ>φ0)时,公式为
nφ=γ•a26×5-5cosφ+2cos2φ1-cosφ(7)
nφ=γ•a26×1-7cosφ+4cos2φ1-cosφ(8)
式中,nφ球形水箱径向力;nθ球形水箱环向力;
a球形水箱半径;pr球形水箱中的水压力;φ球形水箱顶点至水箱任意点处的半径夹角;γ为水(液体)的容重。根据球形水箱的情况,当水箱支承部分(a-a)以下部分不需要,只有a-a以上部分时,可只采用φ<φ0部分的公式计算,即公式(5)、(6);当a-a以下部分时,a-a以下部分采用φ>φ0部分的公式计算,即公式(7)、(8)。钢球水塔尚应增加水箱屈曲计算,计算公式如下:
σ=2e•h2
a23(1-ν2)(9)
式中,e为球箱钢板弹性模量;h为球箱钢板厚度;a为球形水箱半径;ν为材料泊松比。内力计算结果,求得壳体钢板的压应力值不应超过公式(9)计算出的临界压应力σ,可认为满足屈曲计算要求。球形水箱的计算半径是采用径向半径,是定值,但结构受力上部小,下部大,因此球壳厚度和配筋沿整个球壳变化较大,下部球壳厚度和配筋则相应大些。
(2)支筒结构计算
支筒按单质点悬臂结构进行静力计算,并考虑附加力矩。截面承载能力按偏心受压环形截面验算。
3 倒锥壳水塔的设计改进建议
(1)倒锥壳水箱分格方案改进
很多大型的钢铁厂及一些生产工厂,为减免事故和火灾发生,设事故水塔可以发挥关键的作用。设计可以在水箱内部进行合理分格,储备正常使用水和事故水,也可考虑在同一支筒上下不同高度建多水箱,以满足不同使用功能的需要。设计时要考虑结构受力条件好和造型美观的要求。如在马鞍山钢铁厂热轧薄板工程的事故水塔设计方案中,原两个200 m3和一个100 m3共3座水塔,分别建设,不仅投资大,而且影响美观,在方案设计中将这3座水塔进行合并建设,提出了几个方案,最后选择了水箱沿环向分三格的倒锥壳水塔方案(图4)。此方案用1座水塔代替原3座水塔,可节约投资50%,约90万元。
(2)倒锥壳水箱施工工艺改进
传统的施工水箱的方法是在支筒底部地面上预制水箱,当水箱模板拆除后混凝土强度达到提升要求时,安装提升架及提升吊杆,然后采用液压千斤顶提升水箱,当水箱提到设计高程后,先用钢支架临时将水箱支承固定,然后浇钢筋混凝土环托梁作为永久固定,这种施工方法周期较长。
为进一步缩短施工周期,降低工程造价,水箱利用特制的工作台支模板,对水箱进行现浇法施工。这种施工工艺根据倒锥壳水箱的受力原理设计,在水箱外边缘设置径向和环向受力构件,荷载通过径向构件将力传向支筒,水平张力通过一系列的环向构件相平衡。这种施工工艺在水箱倾角小于等于45°时,可以只设置底模,不需设置顶模,减少了模板和支撑构件(图
5)。搭设水箱支模板所用的工作台,采用挂架和悬架,利用支筒顶的预埋件连接固定,然后将悬架和挂架连接为一体,悬架上悬端用拉索和内井架相连,用挂架作径向龙骨,再加上环向拉杆和径向支撑,就构成了一个倒锥形的施工工作台,利用工作台架设水箱底模板,水箱底模板承力构件和挂架类似,采用径向和环向两种构件,模板是由钢板和加劲肋组成。水箱上锥壳的底
承在已施工完毕的水箱中环梁和下锥壳上。这种水箱施工方法不需要设环托梁和钢支承,节
省了投资,另一方面减少了二次浇筑环托梁的养护时间(28 d)。这种施工工艺的设计在郑州、武昌、石家庄、北京以及一些铁路线等多处水塔设计中予以采用,效果良好。不过,这种施工工艺要有可靠的安全措施。在今年建设部倒锥壳水塔标准图的修编中,50 m3倒锥壳水塔将按这种施工方法设计。
(3)倒锥壳水箱下锥壳保温设计改进
水箱下锥壳散热面积大,施工维修都不方便,又是水箱保温的主要部位,这就要求该部位不但具有良好的保温性能,而且要求具有使用寿命长、造价低、便于施工维修的特点。传统的水箱下锥壳保温是在水箱下锥壳施工完毕并试水成功后,将预制的带肋扇形板拼装在下锥壳的外表面,最后填缝隙粉刷外表面。寒冷地区用空气层作保温层,严寒地区可在空气层中加设
改进后的保温方法是,先施工钢丝网水泥保温外壳,然后铺聚苯乙烯泡沫塑料板或其他性能可靠的保温材料,最后以此为外模板施工下锥壳(图7)。此法保温性好,并且无需频繁维修,施工方便,并且节省了工期,但对施工质量要求较高。这种保温方法在赤峰、张家口、北京、阿图什等多处水塔中采用,保温效果良好。这种保温方法在今年建设部倒锥壳水塔标准图的修编中将予以采用。
4 基础形式的选用
水塔的基础形式,目前主要采用在圆板式基础(图8)和倒锥壳板式基础(图9)两种,南方不保温水塔的设计采用板式基础,而北方保温水塔基础采用倒锥壳基础。圆板式基础施工方便,但当基础半径较大时,混凝土用量增加,不经济;倒锥壳板式基础施工比较麻烦,模板耗费量较大,但作为地基承载力低的基础,其工程造价比较经济。笔者认为两种基础各有其优缺点,若能恰当地运用,效果会更好。当地基承载力较高,尤其在桩基承台,若能控制r/r0=1•6~2•0,选用圆板式基础既能满足施工方便,又比较经济;当地基承载力特征值较低的地区,尤其软弱地基时,基础半径较大,宜选用倒锥壳板式基础,比较经济合理。
5 结语
(1)工程实践证明,几种形式的球形水塔,设计可靠,施工工艺可行,经济合理,可以进行推广应用。
(2)倒锥壳水塔设计改进的几点建议,经过试验研究和工程实践检验,效果良好。
(3)两种基础形式在工程设计中应根据具体情况,合理的选择使用。
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