《给水排水工程水塔结构设计规程》内容简介

'《给水排水工程水塔结构设计规程》内容简介第20卷第4期2003年12月特种结构Vo1.20No.4Dec.20o3《给水排水工程水塔结构设计规程》内容简介宋绍先(铁道专业设计院北京100020)(RailwayProfessionalDesignInstitute,Beijing100020)摘要本文简要介绍《给水排水工程水塔结构设计规程}CECS139:2002的编制概况及编制中所考虑的问题.关键词水塔结构设计规程内容ABSTRACTBrieflyaccoun.tofcompilationandproblemstakingintoconsiderationofCECS139:2002{RegulationforllXl1.el"towel"structureofwaterandwaste~aterengineering}areintroducedinthispaperKEYWORI~WatertowerstructureRegulationforContent一,编制概况本规程(CECS139:axr2)是在原《给水排水工程结构设计规范》GBJ69_-84中第5章的内容基础上,总结了近2o年来国内工程应用经验,吸取了国内外的科研成果,在内容上作了大量的补充,独立成册.但仍属于修编后国家通用标准《给水排水工程构筑物结构设计规范》 GB50069----2002系列规范中的一册专用标准.本规程根据国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068--2001和《工程结构可靠度统一标准》GB50153—92规定的原则,采用以概率理论为基础的极限状态设计方法编制,与修编后的国家通用标准《给水排水工程构筑物结构设计规范}GB50069~2002,《建筑结构荷载规范》GB50009~2001,《混凝土结构设计规范》GBS001o__2002等标准协调一致.本规程共6章和4个附录,其中第4.2.1,4.3.1,6.1.1,6.5.3等条款列为《工程建设标准强制性条文》(黑体字).下面就主要内容进行介绍,便于参考应用.二,内容简介1.编制范围水塔的类型较多.从使用功能方面划分除用于给水工程中的贮配水塔外,还有专用的消防水塔,稳压水塔,事故水塔和与电视,广播等不同组合的综合塔.从结构型式和构造方面:水箱有独立壳体结构(如筒壳,锥壳,球壳,双曲形壳等),组合壳体结构,矩形水箱及其它特殊形状结构;支筒有直筒式,锥筒式,双曲筒式,支架式及其组合形式.从材料上有钢筋混凝土结构,砌体结构,钢结构,钢丝网水泥结构,玻璃钢结构.从容积上划分有大型,中型,小型3种.我国已建水塔的容积为15fn3—36001113,国外最大容积达14000m3.不同类别的水塔在结构构造,静力计算方面不完全相同,本规程不可能将其全部列入编制范围,经讨论确定本规范应以城镇和工业企业给水工程中常用的中,小型贮配水水塔结构作为其适用范围,在建筑材料方面考虑钢筋混凝土结构和砌体支承结构水塔,在结构型式方面水箱考虑圆筒式,英兹式,￡SIRUCnJREsNo.42003 倒锥壳式,支承结构考虑直筒式和支架式.本规程不考虑水塔抗震设计和湿陷性黄土,膨胀土,永久冻土,软弱土等特殊地基处理方面的内容.2.编制原则(1)结构设计模式和设计理论与我国现行的国家标准相一致.(2)本规程符合《给水排水工程构筑物结构设计规范》技术原则的要求,并与本系列中的其它专用标准协调一致.(3)按本规程进行设计时,对于一般荷载的确定,构件截面承载能力计算,地基基础变形计算等仍应按国家现行标准执行.(4)应在原《给水排水工程结构设计规范》GBJ684第五章的使用经验基础上,进一步提高科技含量,并吸取国内外成熟的工程实践经验和科研成果.(5)设计标准和安全度标准应与目前的国家现行结构设计规范相协调,较原规范适当提高,特别是对工程实践中容易出现问题的水塔部位在条文中适当提高安全度和设计标准.(6)编制内容及深度方面与原规范相比,结构静力计算,基本构造方面的内容应做较多的补充..三,结构上的作用1.温度作用外界气温变化和水塔水箱贮存水的温度的影响,都会对水箱产生一定的温度应力.对于保温水塔由于水箱外设有保温层,水箱内外温差值较小,另外水塔多为圆柱壳,圆锥壳,球壳结构或其组合的结构型式,且水箱多为500m3及以下的中,小容积,贮存的水也是常温水.根据 设计经验和GB50069-2X102第4.3.6条(注1,注2)规定的原则,在本规程第3.32条中作出了"保温水塔和容积不大于500m3的不保温水塔,其水箱受温度影响不大,一般不考虑温度变化和壁面湿度当量温差的作用.但对于容积大于500m3的水塔水箱,应考虑壁面温度变化和壁面湿度当量温差的作用"的相应规定.一19—特种结构2003年第4期2.Et照作用在电视塔和烟囱的设计中,对钢筋混凝土筒壁结构要考虑日照产生的弯曲变形在自重和其它竖向荷载作用下所引起的附加力矩的影响.钢筋混凝土支筒式水塔是否需要考虑Et照的影响,根据设计实践和计算表明,水塔的高度一般都不超过40m,它与电视塔和钢筋混凝土烟囱相比较,相对要低得多,受Et照的影响也相应小得多,在水塔附加力矩计算中所占比例甚小,可不考虑Et照的影响,但对于高度大和支简直径小的水塔应考虑日照的影响,故在本规程的第3.32条第1款作出了相应的规定.即"支筒高H与支简直径D之比大于15时,可参照《高耸结构设计规范))GB50135的有关规定确定".3.风荷载风荷载是水塔设计的主要荷载,以往设计均按照原《建筑结构荷载规范))GBJ9__87进行.本规程结合对有关问题的研究和讨论,以及我国几十年的工程设计实践经验和研究成果,虽然在设计标准,计算方法方面仍采用了修编后的《建筑结构荷载规范》的规定,但结合水塔的具体情况作了一些补充和调整. (1)关于最小风压值水塔结构属于高耸结构类的构筑物,在国内外的设计规范和标准中都有最小风压值的相关规定,在《建筑结构荷载规范》第7.1.2条中规定一般建筑结构的基本风压值按50年一遇采用,但不小于0.3kN/m2.对高耸结构及对风荷载比较敏感的其它结构基本风压应适当提高,并应由有关的结构设计规范具体规定.据此结合水塔设计的实际情况经研究提高为0.4kN/n/.(2)关于风荷载计算垂直作用在水塔表面的风荷载标准值W按本规程3.3.3条式3.3.3计算(即W=0).此公式在《建筑结构荷载规范》第7.1.1条公式(7.1.1—1)基础上进行了一些补充和调整.按本规程计算出的风荷载标准值有所提高.①增加了重现周期调整系数/1重现周期调整系数/1,在一般情况下可取为1,对特别重要的水塔可按100年一遇的标准考虑,调整系数取/1,=1.1.②补充和调整了风荷载体型系数/1a.水箱的风荷载体型系数本规程第3.3.3条表3.3.3中,倒锥壳水箱,柱壳水箱,英兹式水箱,球形水箱等一律取/1=0.7.倒锥壳水箱的风荷载体型系数,系根据原《给水排水工程结构设计规范》(GBJ69—84)规范组在北京大学进行的风洞试验确定.试验模型的锥壳坡度采用1:1,1:2,1:3三种,支筒的直径采用2.4m,3.2m,4.0m三种,水箱容积为100m3～500m3三种,支筒高度为10m～50m九种,基本风压值为0.4kPa,0.6kPa,0.8kPa三种,进行了模拟组合试验. 柱壳水箱,英兹式水箱的风荷载体型系数虽然没有进行风洞试验,但取值是参照苏联规范和资料一直沿用的=0.7,在我国已沿用了50余年,可认为可行.球形水箱的风荷载体型系数也没有进行风洞试验,一20一查国内外资料也未见有相关的数据,经分析认为采用/1=0.7应是安全可靠的,并在工程实践中经历了10余年的应用.b.支筒的风荷载体型系数水塔支筒多为圆柱壳式,本规程对光滑面支筒取/1=0.7,对有外肋的支筒本规程进行了补充,取=0.8～0.9,可根据外肋粗糙度选取,外肋凸凹程度较大且肋间距小者取大值,反之取小值.我国荷载规范对光滑面支筒的风荷载体型系数,的取值较多.如:我国的荷载规范规结1—58引用苏联标准取0.7;TJ9__74保持取0.7;GBJ9__87则改取0.6;现行《建筑结构荷载规范》对整体计算时的圆截面构筑物(包括烟囱,塔桅等)其风荷载体型系数/1则根据W0d(W0为基本风压值,d为筒直径)和H/d(H为筒的高度)查表取得,经核算后对光滑面支筒其风荷载体型系数为1z=0.5～0.6,此规定较修编前的规范GBJ87的规定1z=0.6减小了,但又未在条文说明中阐述其修改依据.本规程修编时,经研究讨论认为,可以根据水塔的特点和实践经验自行确定.因此,根据多年的实践经验本规程的风荷载体型系数仍取1z.=0.7.c.支架的风荷载体型系数水塔的支架(框架)结构的风荷载体型系数,主要是 参照现行的《高耸结构设计规范》确定的.根据该规范的条文说明,体型系数取值与国外的相关规范比较接近,与前苏联规范HUM.11-74的数据基本一致.③高度变化系数/1风振系数本规程采用现行《建筑结构荷载规范》的相关规定.该规定与原规范《建筑结构荷载规范》GBJ87相比基本上相同,只做了微小的调整,根据标准图的计算略有提高,其提高幅度约为3%以内.④基本风压值W0本规程引用现行《建筑结构荷载规范》的规定.该规定与原规范GBJ9__87相比有较大的变动,由于原规范中的基本风压值的重现周期为30年一遇,为与其它结构设计规范相适应改为50年一遇,因此全国各地的基本风压值普遍提高了一个档次,以北京为例原规范规定基本风压值为0.35kPa,现行规范提高为0.4kPa.⑤风荷载标准值W按本规程第3.3.3条式3.3.3计算,本规程与现行《建筑结构荷载规范))CB50009--200相比(不计重现周期调整系数和基本风压值W0的影响),根据计算比较分析如下.由于风压高度变化系数/1:和风振系数的影响约为3%以下,且对支筒影响大于对水箱的影响.由于体型系数/1.的变化,只对支筒结构有影响,其提高幅度约为2o%左右,但对水塔总风荷载的影响并不大.计算表明水塔的风荷载是以水箱为主,其风荷载约占60%左右,支筒占40%左右,支筒风荷载增加20%只占水塔总风荷载的8%左右,加上水箱风荷载的提高,水塔总的风荷载提高幅度约为10%左右.这一结果也是可行的.四,基本规定 水塔结构设计,应满足承载能力极限状态计算和正SPECAI.SnUCTURESNo.42~003№.42003宋绍先《给水排水工程水塔结构设计规程》内容简介常使用极限状态计算的要求.按承载能力极限状态进行强度计算时,结构上的各项作用均应采用作用设计值,作用设计值应为作用分项系数与作用代表值的乘积.按正常使用极限状态计算时,结构上的各项作用均采用作用代表值.作用的代表值应为标准值,准永久值和组合值.水塔结构的承载能力计算,应包括各部位构件的截面强度计算;水塔的受压壳体部件和受压构件的压曲失稳验算和自重较轻的水塔整体抗滑动稳定验算,抗倾覆验算.水塔结构的正常使用极限状态计算,应包括水塔水箱贮水部分的部件和有地下水地区基础结构与水接触部位的抗裂计算和裂缝宽度计算并应满足抗裂或裂缝宽度限值的要求.即直筒式的水箱壁,倒锥壳水箱壁和受拉环梁等部件的环向为中心受压或小偏心受拉构件,为保证其不出现贯通性裂缝和不渗漏水要求,应满足抗裂计算的要求.对直筒水箱壁的竖向,倒锥壳水箱壁的径向,柱支承水箱的下环梁和有地下水地区的基础板等为弯曲受拉构件,不产生贯通性裂缝,故应进行裂缝宽度计算并满足裂缝限值的要求.水塔结构的内力分析,应按弹性体系计算不考虑由非线性引起的内力重分布以利于结构的安全.水塔结构构件截面承载能力计算,按现行的《混凝土结构设计规范》GB5O1)lo--2O,《砌体结构设计规范》GB500∞,《高耸结构设计规范>>GB50135等相关国家标准执行.水塔结构构件正常使用极限状态的抗裂计算,本规 程引用现行《给水排水工程构筑物结构设计规范》中的抗裂计算和裂缝宽度计算的公式,这些公式是结合给水排水结构的情况通过试验确定的,经近20年的使用实践考验效果良好.五,静力计算1.水箱计算根据我国50年的水塔设计经验,科学试验研究成果,对水塔水箱的静力计算提出了计算原则要求.对常用的圆柱壳水箱,英兹式水箱,倒锥壳水箱,球形水箱按单元构件各部位环梁时的计算公式.对大型的球壳式水箱底列出了稳定性计算的计算公式等.这些内容都是水塔设计中行之有效的.2.支承结构计算(1)砖支筒水塔支承结构计算根据实践经验推荐采用按弹性状态偏心受压构件考虑(见式5.3.2__l,式5.3.2__2),这一计算方法根据大量计算,一般比按《砌体结构设计规范>>GBS0003中偏心受压构件计算略偏于安全(约为10%～15%).由于水塔属于较高的独立构筑物,偏于安全是适宜的.(2)钢筋混凝土支承结构的附加力矩支承结构刚度较小的倒锥壳水塔,球形水塔及类似的刚度较小的水塔支筒结构,应考虑其在风荷载,施工偏差,支筒孔洞,基础倾斜,日照温差等影响下产生水平变位后由水箱和支承结构重力所产生的附加力矩.附加力矩应考虑可能发生的不利组合,但设计时宜采取措施消除或减小一部分因素引起的附加力矩,如孔洞偏心可设置门窗框补强,精心施工减少施工偏差值,尽量选取土质隧cjLs】UCrURESNo.42003均匀密实,压缩模量低的地基或对地基采取加固措施等. 附加力矩的计算可按本规程附录C计算,其考虑了风荷载设计值,基础倾斜,施工偏差,孔洞偏心等因素的影响,如需要考虑日照影响时可参照《高耸结构设计规范}GB50135执行.本规程规定水塔设计时必须进行专项地质钻探工作,提供齐全的钻探资料和水塔周围水井的影响半径等设计资料确保水塔设计安全可靠,经济合理.对水塔标准图设计时,由于没有具体的水塔设计地点不能提供具体的设计资料时,在附加力矩计算时的地基倾斜值可以采用本规程中规定的允许地基倾斜的限值进行计算.在本规程中根据设计经验表明,在附加力矩中的最大影响因素是风荷载和地基倾斜,它们引起的附加力矩约占总附加力矩的70%～80%.在本规程中,为使支承结构设计比较经济合理,规定了"各种因素引起的附加力矩大于基本风压产生的力矩值50%时,宜考虑加大支筒直径或增大支筒下部壁厚等加强措施".(3)框架式支承结构计算对中小型的钢筋混凝土框架式水塔可简化为平面框架计算.根据我国的设计实践经验,只要采取适当的节点加固措施和构造要求可以使设计做到安全可靠,由于这种设计方法比较实用简捷,被设计单位认可采用.3.地基基础计算(1)本规程用于天然地基基础设计和地基处理加固后的基础设计如刚性基础(混凝土或砖砌体),钢筋混凝土板式基础(环形,圆形,多角形),壳体基础,不包括地基处理和桩基础.水塔的地基应满足承载力,沉陷控制的限制的要求(主要指地基不均匀沉降),当地基承载力高,压缩性低,且土层比较均匀时,由于不会产生较大的不均匀沉降,故一般可不进行地基沉降计算.根据有关实测资料表明水塔或类似的化工塔的地基不均匀沉降值一般 都小于计算值,且最大沉降部位也不完全与当地常年风向一致.实测资料还表明基础对地基的压力分布不是均匀分布也不是直线分布的,但实践表明地基按直线分布考虑是可行的,所以被设计单位普遍采用,本规程也作了相应的规定以简化设计和计算.基础设计除满足地基承载力和变形要求外,板式基础,壳体基础还应满足结构截面承载能力要求,对有地下水地区尚应满足裂缝宽度计算的要求.(2)水塔地基承载力计算水塔基础的地基承载力计算引用了《建筑地基基础设计规范>>GB50~7--2002中第5.2.1条的公式,它较原规范《建筑地基基础设计规范>>GBJ7—87有较大的变化.主要是基础上的自重,竖向荷载,风荷载的取值采用标准值,而原规范采用设计值,两者相差的比值为分项系数1.2或1.4,因此按现行规范设计时,基础的底面积约减小20%及以上.但在进行基础内力分析和截面承载能力计算时乃应采用上述荷载的设计值.这种计算方法认为是适宜的,故引入了本规程中.(3)水塔地基变形计算水塔地基若进行沉降量和沉降差(倾斜)计算,则引用《建筑地基基础设计规范》GB501X)7--2002进行.本规程只提出了水塔结构地基变形限值的规定(表5.4.3)和一21—特种结构2003年第4期沉降差计算公式.(4)基础设计与计算①刚性基础设计与计算 刚性基础用于地基土承载力较高的地基.刚性基础应满足刚性角规定的限制(见规程表5.4.4).刚性基础设计只进行地基承载力计算,如满足本规程表5.4.4刚性角的规定时,可不进行基础的承载能力计算.②钢筋混凝土板式基础设计与计算钢筋混凝土板式基础是水塔常用的基础结构型式.根据设计经验,当板式基础半径rr与支筒半径r,之比大于1.5时宜采用圆板基础,此时圆板结构可配单层钢筋,避免配双层钢筋,设计比较合理,施工也比较方便.设计环形板基础时尽量使环板重心与支筒中心重合,这样使上部荷载均匀传至地基上,另外在进行板的内力计算时减少偏心影响.根据设计经验和有关的试验资料表明,板式基础应进行冲切验算板厚,并满足抗冲切要求.六,基本构造要求实践和经验表明基本构造是保证水塔结构施工方便,正常使用,延长使用寿命的重要措施,对结构的安全也能起到一定的保证作用.修编后的《混凝土结构设计规范)GB50010--2002和《给水排水工程构筑物结构设计规范)GBS(KI69---2(K~2都提高了构造方面的要求,本规程在水塔基本构造要求方面依照上述标准结合水塔结构情况相应作了提高并做了较多的补充.1.保护层厚度保护层厚度对水塔结构的使用寿命影响也很大,按照我国以往规范设计施工后,经调查使用20年左右则出现保护层剥落,酥裂,碳化等现象比较普遍,有的严重影响使用必须大修或加固处理,反观在20世纪40年代日本在中国铁路沿线修建的钢筋混凝土水塔,至今仍在正常使用着.故在本规程编制中对水塔结构的保护层厚度,在原来的基础上作了较详细的规定并将其普遍进行了提 高,提高幅度约为5mm—lOmm.2.钢筋的锚固长度在《混凝土结构设计规范)GB50010--2002中,对钢筋的锚固长度的规定作了较大的修改,该规范的锚固长度采用公式计算后再根据不同的条件进行调整后再确定,取消了原规范中的列表的显示方法.这一方法虽然和国际统一接轨,但根据水塔设计,施工单位的反映都感到对水塔这样的独立结构,采用这种表示方法都感到不适应也不方便,经研究在本规程的编制中结合水塔结构情况进行了计算后仍按列表法显示出对锚固长度的规定,见本规程表6.1.2.3.水箱结构构造要求根据水塔设计和施工的具体条件,本规程对水箱各部件的最小尺寸,钢筋网配筋的构造和最小配筋量都作了较详细的规定.4.支承结构构造要求水塔的支承结构的构造要求,考虑到支承结构是影响结构安全和使用寿命的主要部件,根据5o年的设计经验进行了较多的补充,其中对支筒和框架结构的构造要求定为强制性条文(见表6.3.2,表6.3.3).5.其它构造要求为保证水塔结构在正常设计,正常施工,正常使用和维护的要求下,水塔结构达到设计使用年限为5o年的要求,在本规程中,对混凝土的强度等级,水灰比,抗渗等级,抗冻等级,外加剂,早强剂,含碱量等都作了相应规定,要求的标准也都有所提高.(上接第l3页)圆柱体和方柱体确定.因此按CECS140计算时其混凝土的强度等级为C304的1.25倍. 表3钢筋面积计算(mm2/m)管径壁覆土深工况工作压力厚(m)度(m)0.40.60.81.01.2皿I加ll9ll姗l854珊1.5o0486ll110l2l32Dm400对比1.1.嗍1.0562,91.Ol2l591.0强;02h=l55CE[40l466l7772099243l275ld:64.0o04l403l呖l9683l2446对比1.O449啦1.唧I6l0665651.O1.124693从上述对比计算可知:按CECS140计算的钢丝配置量在总体上略多于C3cl4的配丝量,约5%左右,覆土较深时,相差较多.主要是C304规范组合时,地面车辆或堆积荷载与管内瞬间压力不同时出现.而CECS140规范将地面车辆或堆积荷载与管内瞬间压力同时考虑,但此时计入小于l的组合系数或准永久值系数.两种不同的组合方式对内力计算具有一定影响;但覆土浅,压力较低的0.4MPa时,CECSl40的配丝量与C304的配丝量比较接近.一22一三,小结1.综上所述可以看出C304标准对管体的结构设计,荷载确定,工况组合,内力分析及截面计算模式等,均与我国标准的规定不尽相同;CECS140标准是依据现行国家标准《给水排水工程管道结构设计规范}GB50332规定的原则,制定了符合我国结构设计模式的管体设计方法,同时也与c3o4标准作了必要的协调,以使引进的制管工艺 与我国的工程应用条件相融合.2.从两种方法的对比计算中可以看出CECS140标准的配丝量略高于C304的配丝量,高出值为5%左右.根据目前我国工程建设的实际情况,在应用引进技术时,适当留点余地是必要的.3.CECSl40标准的结构设计方法,计算简单,易操作,可手算,便于工程应用.参考文献[1国家标准.《给水排水工程管道结构设计规范》(GB50332.2002)[2协会标准.《给水排水工程埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》(CECS140:2002)[3]AwwAStandardforDesignofPrestressedConcreteCylinderPipe(ANSL/AWWAC304-99)l4IConcretePressurePio~(AWWAMANUALM9)l5IStandardforPrestressedConcretePresmPipe,Steel-CylinderType,forWaterandOtherLiquids(AWWAC301)SjP】ALSnⅢCrUlN0.4003'