特种结构-第四章-水塔

w
β
θ
V5
r0
6.圆球壳底 圆球壳底上的荷载有 圆球壳自重和水压力。 研究表明，球壳在自重 作用下，在中心角θ大 于103.60时，环向才出 现拉力。因此，一般球 底径向和环向均为受压， 最大径向力发生在根部， 为
Nr5
2r0 sin
W
球底厚度一般不应小于100mm，按轴心受压构 件计算配筋，混凝土保护层厚度一般取20~30mm， 在边缘1/3~1/4半径范围内布置双层钢筋。
⒉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：采用矿渣棉或玻璃布包扎。
(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 1.0～1.1。 (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 ①竖向 根据设计弯矩M，按矩形截面受弯构件计算竖向钢筋。 ②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。 ③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 ①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。 ②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η＝1；在计算倒锥壳时，可对下端的固端弯矩M取用o．9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。
7.下环梁 下环梁上所受的力有V4、V5，还有水平推力 H4、H5。当H5>H4时，下环梁受拉，应考虑按轴 心受拉构件计算配筋，并验算抗裂度。当H5<H4 时，下环梁受压。 当水塔采用支架结构方案时，以上两种情况 下环梁是支承在柱子上的多跨圆弧梁（高次超静 定）结构，实际所受力的情况是：除跨中以外， 在每个截面都产生弯矩、扭矩、剪力（和轴力）。
㈢ 环梁内力分析
Ⅰ. 上环梁内力 轴向力：
Ⅱ. 中环梁内力
轴向力：
Ⅲ. 下环梁 内力 轴向压力：
弯矩为
4.1.2
水箱的防渗与保温
㈠ 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。 ㈡ 保温： ⒈池壁保温： －8℃ ～ －20 ℃ 采用砖护壁和空气保温层 －20℃ ～ －40 ℃ 在空气层内添松散保温材料 特冷 采用防寒带
下环梁在竖向荷载作用下，最大负弯矩和最大 剪力发生在柱子的支点处，最大扭矩发生于跨中约 1/4点处，最大正弯矩发生在跨中中点。
§5-3 倒锥壳式水箱
1. 组成 正锥壳顶、倒锥壳顶、环梁（上、 中、下环梁） 2. 特点 容量大 直径大处水压力较小，直径小处水压力较大 柔度大，考虑附加弯矩 环梁起到加强水箱刚度和稳定性及保证上下壳体可 靠结合。
第五章
水塔结构设计
水塔用于建筑物（小区）的给水、调剂用水、 维持必要的水压和安全用水的作用。 水塔由水箱、支架或支筒、基础和附属设施 （进出水管、水位控制指标装置、爬梯、平台、壁 雷装置和照明装置等）组成。
§5-1 水塔水箱的分类
常见的钢筋混凝土水塔水箱：平底式水箱、英 兹式水箱、倒锥壳式水箱。
4.1.3
截面设计
③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η＝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φ＝1。
④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。 ⑤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 ωmax，且满足ωmax≤o．20mm。 (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。
倒锥壳式水箱在水位最小处直径较大，在水压 力最大处直径最小。在直径最大处水压力较小。因 此，倒锥壳式水箱所受环向拉力比较均匀。
§5-2 英兹式水箱的内力计算
大型的英兹式水箱可用电算进行整体分析。当 水箱容量为500m3以下时，可将英兹式水箱分解为 单个构件，用无弯矩理论计算内力，但在构件边缘 处应考虑边缘弯矩。 一、英兹式水箱的一般构造要求 1、圆锥顶盖的倾角为180左右，顶盖厚度宜变 截面，最小厚度为70mm左右，一般配筋率不小于 0.2%且不小于Ф6@200的配筋量。
水箱顶盖受力
Ⅱ. 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（900Ø）所形成的内力为：
Z
Ⅲ. 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：
Ps
S2 S2
Z
g
Z
Φ rs Nr1
均匀压力
Φ Nr1 Nr1
Φ rs
自重作用
Φ Nr1
各种荷载同时作用下的内力：
上述公式中符号的含义见教材P90. ㈡ 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。 Ⅰ. 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。
下环梁自重
三、水箱个单元构件内力分析 1.圆锥（或圆球）壳顶盖
q
dx
活
q
自
dt
t
φ
s
r
H1 N r1 cosφ N r1
v1
N r1 sinφ
（每米弧长）
q活 dx q自 dt dx q自 q活 q活 cos dt q q自 q自 圆锥的侧面积
rsq 1 V1 sq 2r 2
雪荷载或活荷载
6、球壳底与 下环梁交点的切
自重
圆锥壳
线与水平线的夹
角一般取45度，
φ
H1 N r1 cosφ N r1
球壳底的最小厚
度为100mm。 二、英兹式
N r1 H1
v1 N r1sinφ
（每米弧长）
V1
上环梁
水箱各部分荷载
传递
G1 V 1
上环梁自重
G1
力 压 水
水压力
q1
q2
自
重
Nr3
可以认为水 压力方向向 下
px 为作用在倒锥斜底中点的水压力。
锥底的最大径向力发生在根部，根部的径 向力可用下式计算
Nr4
w G3 r s2 s1 q 2r0 sin
式中的w为作用在锥底的水重（图中的阴影部分） 实际配筋取以下两种情况较大者： ①径向力Nr4为压力，按混凝土受压构件计算 截面配筋。 ②可近似按跨度为s2-s1，在水压力和自重作用 下按简支梁计算跨中最大弯矩作为径向弯矩，按受 弯构件计算配筋。
2、倒锥斜底的倾角为450，壁厚一般为锥底上 端直径的1/30~1/35，最小厚度为150mm。
3、混凝土强度等级不小于C25，钢筋可采 用HPB235级和HRB335级。 4、环梁截面宽度不小于200mm，截面高 度不小于350mm，环向钢筋配筋率不小于0.4%， 且至少有4根Ф12的钢筋，箍筋不应小于 Ф6@200 。 5、水箱可采用砖护壁和空气保温层或内填 松散材料的保温层。关键是水管的保温防寒， 常用矿渣棉毡或玻璃棉毡做保温层。
Nr3
q2
自
重
倒椎壳底
H4 Nr4
Nr4
Nr4
V4
Nr3
倒椎壳斜底自重 倒锥壳斜底高度范围内水压力
s2
s1
r0 r
倒锥斜底中点的环向拉力为
h1 h2 r r0 N 2 sin p x q cot 2
式中
1 qw q1 q2 2 q q自重 qw
4.1.4 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1:3—1:4，截面最小厚 度为60mm，一般配筋率ρ≥0.2％，并不小于φ6@200的配筋量。自边缘 算起锥面长度的1／3范围内宜配双层构造钢筋。 (3)壳壁 厚h≥120mm，且宜配双层钢筋，单面配筋率ρ≥0.2％，配筋量 不应小于φ8@200。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1/6~1/8。单面配筋率ρ≥o．2％，并 不小于φ8@200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ρ≥ 0.4％， 并至少有4根直径为12mm的钢筋。箍筋不应小于φ6@200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。
中环梁所受的环向拉力为
q1 q2 N N r 3 cos 2
h r
中环梁应按轴心受拉构件进行截面配筋设计， 并进行抗裂度验算。
5.倒锥壳底 英兹式水箱的倒锥壳底的斜边不太长，环向拉力 沿斜边的变化不大，故可按中点的环向拉力进行配 筋设计。
q1
水压 力
w
h1 h2
平底式水箱的上环梁承受锥壳传下来的径向水 平分力和数竖向力，因此上环梁可按轴心受拉构件 计算。
平底式水箱的底板是一带悬臂（或不带悬臂） 的圆板，板上作用有均匀水压力、圆板自重，周边 作用有水箱壁传来的沿圆板周边的竖向线荷作用下的内力，可参见 《建筑结构静力计算手册》中的公式计算。
G3
q1
q2
N r3
r
这些力使中环梁受拉