第4章水塔2.ppt
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钢筋混凝土钢筋混凝土特种结构特种结构河北工程大学土木工程学院河北工程大学土木工程学院河北工程大学土木工程学院河北工程大学土木工程学院建筑工程教研室建筑工程教研室建筑工程教研室建筑工程教研室孙孙孙孙克克克克第4章水塔uu本章提要本章提要uu重点介绍了水箱、塔身、和基础的荷载计算、内力组合、内力分析和重点介绍了水箱、塔身、和基础的荷载计算、内力组合、内力分析和结构设计方法。
结构设计方法。
uu介绍水塔设计的计算的步骤和方法介绍水塔设计的计算的步骤和方法uu水塔：
用于建筑给水、调剂用水、维持水压，并起到沉淀和安全用水水塔：
用于建筑给水、调剂用水、维持水压，并起到沉淀和安全用水的作用的构筑物。
的作用的构筑物。
uu组成：
主体部分包括组成：
主体部分包括水箱、塔身、基础水箱、塔身、基础；附属部分包括水管、爬梯、；附属部分包括水管、爬梯、平台、水位指示装置等。
平台、水位指示装置等。
uu常用水箱的形式：
常用水箱的形式：
平底式水箱、英兹式水箱、倒锥壳式水箱平底式水箱、英兹式水箱、倒锥壳式水箱。
uu水箱容量水箱容量VV100m100m=100m33，可采用英兹式水箱和倒锥式水箱。
可采用英兹式水箱和倒锥式水箱。
4.1.14.1.1水箱组成、特点、水箱组成、特点、水箱组成、特点、水箱组成、特点、计算方法计算方法计算方法计算方法一、平底式水箱一、平底式水箱uu1.1.组成：
正锥壳、上环梁、圆柱形水箱、中环梁、平底板。
组成：
正锥壳、上环梁、圆柱形水箱、中环梁、平底板。
uu2.2.特点：
施工方便，支摸简单，用于小型水塔较多。
特点：
施工方便，支摸简单，用于小型水塔较多。
uu3.3.计算方法计算方法uuA.A.正锥壳顶盖：
正锥壳顶盖：
可按近似无弯距理论（薄膜理论）计算。
可按近似无弯距理论（薄膜理论）计算。
uu（可采用变截面，根据薄壳理论的分析正锥壳顶盖在垂直荷载作用下，（可采用变截面，根据薄壳理论的分析正锥壳顶盖在垂直荷载作用下，由于直径及荷载较小，壳内弯距和轴力很小）由于直径及荷载较小，壳内弯距和轴力很小）uuB.B.圆柱形水箱茼壁：
圆柱形水箱茼壁：
uu
（1）.1）.竖向弯距：
按上端自由、下端固定的圆柱壳计算竖向弯距：
按上端自由、下端固定的圆柱壳计算uu
（2）.
（2）.环向拉力：
按上端自由、下端铰支的圆柱壳计算环向拉力：
按上端自由、下端铰支的圆柱壳计算uuC.C.水箱底板：
按带或不带悬臂的圆板计算水箱底板：
按带或不带悬臂的圆板计算第第4章章水塔水塔4.1水箱水箱4.构造要求构造要求正锥壳：
可做成变截面的正圆锥壳，锥面坡度可取1/31/4，厚度不小于60mm。
正锥壳弯矩及剪力较小，需按构造配筋10200，且配筋不小于0.2%，在锥面长度的1/3范围内，为了能有效地承受边缘局部较大的弯矩，宜配置双层构造钢筋。
D.上环梁：
按轴拉构件计算E.下环梁：
按垂直荷载作用下的等跨连续曲梁计算内力，与风载引起的内力组合。
（参照倒锥壳）二二.英兹式水英兹式水箱箱1.组成组成正锥壳顶、圆柱壳顶、倒锥、球面壳顶、环梁2.特点：
球壳及倒锥壳承受压力，受力合理。
3.球壳及倒锥壳计算：
径向力及环向力：
在自重及水压作用下，按无弯矩理论计算径向弯矩：
按周边固定计算边缘处的径向弯矩。
A.倒锥壳底的锥面坡度宜取1:
1，倒锥壳承受环向拉力较大根据抗烈性要求其厚度宜大于水箱壁的厚度；环向筋由计算环拉力拉确定配筋数量并沿壳面两侧布置为了使径向筋有效地承受弯矩两端应可靠锚入中环梁和下环梁。
B.球壳以承受压力为主，一般按构造配筋，环向筋和径向筋均不小于8200。
球壳的矢高与直径的比值，一般宜取1/61/8。
4.构造要求构造要求上环梁和中环梁：
分别按锥壳顶盖和倒锥壳上端传来的水平推力进行配筋计算和抗裂验算；下环梁：
在球壳和倒锥壳引起的水平推力的差值下，按轴拉构件计算。
环梁的截面尺寸、配筋构造要求与平底水箱相同。
三、倒锥壳式水箱三、倒锥壳式水箱1.组成组成正锥壳顶、倒锥壳顶、环梁（上、中、下环梁）2.特点特点u容量大u直径大处水压力较小u柔度大，考虑附加弯矩u环梁起到假期水箱刚度和稳定性及保证上下壳体可靠结合。
3.内力分析内力分析正锥壳内力分析：
正锥壳内力分析：
顶壳直径和荷载都不大，根据壳体理论证明，壳内的弯矩都很小，所以可以近似按无弯矩理论进行计算顶盖内力。
.集中荷载下的内力集中力有人防孔传来的荷载，在此作用下顶盖产生环向力及径向力分别为1.组成组成.自重作用下的内力正锥壳自重作用的方向与壳体表面的夹角为（900-）所形成的内力为：
.顶盖均布荷载作用下的内力顶盖在均布荷载作用下产生内力如下：
各种荷载同时作用下的内力：
上述公式中符号的含义：
倒圆锥壳内力分析倒圆锥壳内力分析计算时可取上端定向约束，下端固定约束的计算简图，按无弯矩理论计算倒锥壳的径向力和环向力。
.自重作用、三角形水压力作用、均布水压力作用、中环梁传来的环形竖向力作用如下。
环梁内力分析环梁内力分析.上环梁内力上环梁内力轴向力：
.中环梁内力中环梁内力轴向力：
.下环梁内力下环梁内力轴向压力：
弯矩为4.1.2水箱的防渗与保温水箱的防渗与保温抗渗：
抗渗：
A.与混凝土材料等级、施工的密实性有关（骨料级配、水泥用量、水灰比、养护条件）。
B.尽量连续施工，储水部分只允许在中环梁上设置一道施工缝。
C.做好预埋件工作，不应凿洞。
保温：
保温：
池壁保温：
池壁保温：
820采用砖护壁和空气保温层2040在空气层内添松散保温材料特冷采用防寒带倒锥壳保温：
倒锥壳保温：
化学保温（喷射及喷涂）；用T型小肋形成空腔内填保温材料或形成空气保温层、做泡沫混凝土保温层；加砖护壁。
3.水管保温：
水管保温：
采用矿渣棉或玻璃布包扎。
4.1.3截面设计截面设计
（1）承载力计算时，除顶盖以外，设计内力可乘以调整系数K，K取1.01.1。
（2）顶盖（包括上环梁、气窗、检修孔）根据设计内力，一般按受弯构件、轴心受拉构件、轴心受压构件的矩形截面计算其承载力。
（3）壁板竖向根据设计弯矩M，按矩形截面受弯构件计算竖向钢筋。
环向根据设计环向拉力N，按轴心受拉矩形截面设计环向钢筋。
根据中环梁的设计拉力N，按轴心受拉构件计算其环向钢筋。
（4）水箱底部平底板根据设计弯矩，按矩形受弯构件计算径向钢筋和环向钢筋。
倒锥壳根据径向固端设计弯矩Mf和设计径向压力N，按矩形偏心受压构件对称配筋计算其承载力，确定径向钢筋，近似取偏心距增大系数1；在计算倒锥壳时，可对下端的固端弯矩M取用o9以确定中部截面的弯矩值。
根据设计环向拉力Nt按矩形轴心受拉构件计算环向钢筋。
球壳根据径向固端设计弯矩M（和设计径向压力Nr，按矩形偏心受压构件计算径向钢筋，取偏心距增大系数1；根据环向设计压力Nt，按轴心受压构件计算环向钢筋，取稳定性系数1。
下环梁根据设计内力，按矩形截面计算其承载力。
倒锥壳水箱的下梁，一般为偏心受压构件。
以上构件尚应根据标准弯矩、标准环拉力，计算其相应的最大裂缝宽度max，且满足maxo20mm。
（6）圆形平板、锥壳、柱壳、球壳的内力，均系作用在lm宽度截面上的内力值。
弯矩沿哪一方向作用，钢筋即沿此方向布置。
弯矩使板的哪一面受拉，钢筋即靠近此面放置，且均按矩形截面计算，截面宽度取1000mm。
4.1.4构造要求构造要求
（1）材料混凝土强度等级不小于C20，钢筋为HPB235级或HRB335级。
（2）顶盖宜采用变截面的正圆锥壳，锥面坡度取为1:
31:
4，截面最小厚度为60mm，一般配筋率0.2，并不小于6200的配筋量。
自边缘算起锥面长度的13范围内宜配双层构造钢筋。
（3）壳壁厚h120mm，且宜配双层钢筋，单面配筋率0.2，配筋量不应小于8200。
小容量水箱的壁板上部可仅配单层钢筋。
（4）底板平板厚度一般不小于120mm，球壳厚度一般不小于100mm，球壳的矢高与其水平直径之比一般为1/61/8。
单面配筋率o2，并不小于8200的配筋量。
（5）环梁宽度不宜小于200mm，高度不宜小于300mm，对于有保温层的水箱，环梁截面高度一般不小于350mm。
环向钢筋的配筋率0.4，并至少有4根直径为12mm的钢筋。
箍筋不应小于6200的配筋量。
（6）水箱的检修孔周边应设加强肋管道处的截面应局部加厚配置加强筋，并应设置伸缩器。
第二节第二节塔身塔身形式：
形式：
支架式和筒壁式4.2.1支架式塔身支架式塔身支架式塔身一般由钢空间桁架或钢筋混凝土空间钢架做成。
根据水箱容量的不同，塔身的高低，荷载的大小，支架分别由四柱、六柱和八柱组成。
支柱：
直柱截面面积不小于300300，角柱配筋率不小于0.8%。
斜柱斜率一般为1/201/30，截面面积不小于300300腋角：
宽度400600mm高度200300mm横梁：
沿高每35m设置。
支架式塔身外形美观，坚固耐用，具有较强的抗震性能，但不利于抗寒。
荷载计算荷载计算1.荷载有：
荷载有：
结构自重、设备重；各种活荷、风荷、满水压力、地震作用。
a.风荷载、雪荷载：
风荷载、雪荷载：
建筑结构荷载规范（GB50009-2001）确定。
b.地震作用：
地震作用：
以水箱为主单质点体系考虑，按底部剪力法计算地震作用。
地震作用作用在箱重心地震作用作用在箱重心-2.荷载组合荷载组合满水箱满水箱：
结构自重、水箱内水压力、塔顶雪荷载或活荷载、平台及楼梯上的活荷载、设备自重及风荷载。
空水箱空水箱：
结构自重、设备自重和风荷载。
注：
满水箱为了求出Nmax及相应M组合空水箱为了求出Nmin及相应M组合3.风载体型系数风载体型系数倒锥形水箱0.7圆柱形水箱0.6支架结构的梁柱1.34.地震作用地震作用与风荷载组合计算计算原则：
按单质点体系考虑方法：
基底剪力法当考虑地震作用与风荷载组合时，风荷载取25%。
支架式塔身内力分析支架式塔身内力分析柱计算柱计算
（1）水平荷载作用下水平荷载作用下柱柱的内力计算的内力计算支柱支柱反弯点位置反弯点位置假定假定顶层柱的反弯点在距支架顶2/3层高处中间各层柱的反弯点在柱中间底层柱反弯点在距基础顶面2/3层高处2.各层各层柱柱剪力剪力以八根柱为例，各柱的惯性矩为：
ABC柱对抵抗某一方向的水平作用的惯性矩值是不同的。
每层每个支柱在反弯点处按线刚度分配到的剪力为：
（若每层柱高相同，弹性模量相同）若为正方形柱则Ix-x=Iy-y=Iz-z有如下：
式中P所计算层反弯点以上的水平荷载总和n支柱根数3.各层各层柱柱上、下端上、下端弯矩弯矩由各柱的剪力和反弯点的位置，可得层柱的上、下端弯矩。
4.各各柱柱轴力轴力在反弯点处柱的轴心压力N由两部分组成，第一部分NA是该反弯点以上的竖向荷载产生的；第二部分NB是该反弯点以上的水平力对反弯点产生的弯矩引起的。
由图5.15根据反弯点处力矩为零的条件可求出NB；在竖向荷载下和求NA。
对于八柱支架对于六柱支架对于四柱支架由上可知，各架柱的轴力为：
（2）竖向荷载作用下各柱轴力为：
竖向荷载作用下各柱轴力为：
横梁端部弯矩和剪力计算：
按节点平衡条件求出：
4.2.2筒壁式塔身筒壁式塔身构造要求构造要求配筋：
单层外侧，环形钢筋的配筋率0.2，纵向钢筋的总配筋量不小于0.4和12200；砖壁时沿高4-6m设一道圈梁尺寸不小于240*180，不小于418;洞口应加强；所有水塔立柱按角柱配筋，箍筋不宜小于6250。
砖壁不小于240mm；钢筋混凝土筒壁厚度不应小于100mm，当采用滑模施工时，不宜小于160mm。
内力分析内力分析1.计算简图计算简图：
筒壁式塔身可视为竖向悬臂构件计算其内力2.荷载荷载：
塔身上作用有水平风荷载、水平地震作用、竖向地震作用和重力荷载。
3.附加弯矩附加弯矩：
钢筋混凝土筒壁高而细，在水平荷载、施工偏差以及基础倾斜等因素影响下，产生的侧移相对较大，因而使结构自重引起的附加弯矩也会加大，因此在计算内力时应予以考虑。
4.2.4塔身截面设计塔身截面设计a.柱根据对角线方向及正方向在满荷载和空荷载下求Nmax及和Nmin相应M，按单向或双向偏压计算。
（若Nmin为拉力按受拉构件计算）。
b.横梁按受弯构件计算。
c.筒壁
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