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1、第五章第五章 水塔结构设计水塔结构设计 水塔用于建筑物（小区）的给水、调剂用水、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。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（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。雷装置和照明装置等）组成。 5-1 5-1 水塔水箱的分类水塔水箱的分类 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。 一、平底式水箱一、平底式水箱 多用于水箱容量小于100m3，该水箱底板被支承在下环梁
2、上，环外部底板悬臂。 正锥壳水箱顶盖，可根据在竖向荷载作用下，由于直径和荷载都较小，也可近似按无弯矩理论（薄膜理论）计算。 圆柱形水箱壁的内力计算方法与圆形水池池壁的内力计算方法相同。 其中箱壁的竖向弯矩可按边界条件为上端自由，下端固定的圆柱壳考虑。 箱壁的环向拉力可按边界条件为上端自由、下端铰支的圆柱壳考虑。 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载。PqPPqP 圆形底板在上述荷载作用下的内力，可参见建筑结构静力计算手册中的公式计算。 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
3、轴心受拉构件计算。 平底式水箱的下环梁，可按竖向荷载作用下的等跨连续曲梁计算内力，并应与风荷载引起的内力进行组合。 二、英兹式水箱二、英兹式水箱 英兹式水箱由正锥壳顶、圆柱壳壁、倒锥形斜底、球面壳底、上环梁、中环梁和下环梁组成。 倒锥壳和球面壳在自重和池内水压力作用下可按无弯矩理论（薄膜理论）计算径向力和环向力；但在周边处应按周边固定计算边缘处的径向弯矩。 三、倒锥壳式水箱三、倒锥壳式水箱 倒锥壳式水箱由正锥壳顶、倒锥壳底、上环梁、中环梁和下环梁组成。 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 5-2 英
4、兹式水箱的内力计算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6200的配筋量。 2、倒锥斜底的倾角为450，壁厚一般为锥底上端直径的1/301/35，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
5、.4%，且至少有4根12的钢筋，箍筋不应小于6200 。 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。 6、球壳底与下环梁交点的切线与水平线的夹角一般取45度，球壳底的最小厚度为100mm。 二、英兹式水箱各部分荷载传递HNr11v1Nr1sinNr1cos雪荷载或活荷载自重VNrGH11111V上环梁自重上环梁（每米弧长）圆锥壳GG12水箱壁自重水压力1G2GHNr33G3Nr3sin2G中环梁自重中环梁水压力自重倒椎壳底4VNr4H4Nr3Nr4Nr3倒椎壳斜底自重12qq倒锥壳斜底高度范围内水压力2121qqqwHV4下环
6、梁（含圆球壳自重）555VNrV55HH4G6sin5VrN5水压力()下环梁自重5VV4三、水箱个单元构件内力分析HNr11v1Nr1sinNr1cos（每米弧长）q活自dxdtqtsr1.圆锥（或圆球）壳顶盖rsqqqqdtdxqqdtqdxq圆锥的侧面积自自活活自自活cossin2cos)/(sin2212111sqHmKNsqNsqrrsqVr（单位弧长的竖向力）（单位弧长的径向力）（单位弧长的水平力） 圆锥壳顶的配筋设计，可按无弯矩理论(薄膜理论）计算壳体的最大径向压力（即Nr1）和最大环向压力（即H1r），径向和环向均可按轴心受压构件计算配筋。 工程实践表明，对于不大的英兹式水箱，
7、经计算一般按照构造要求配筋，环向钢筋配筋率一般为0.4%0.5%，辐射状的径向钢筋大多数为8200，径向钢筋放在外层。 圆锥壳顶的边缘因受到上环梁对壳体的嵌固作用，所以在锥壳边缘1/3锥长的部分需要配置上层构造钢筋。 2.上环梁 上环梁承受的环向拉力为cot2sin2cos1sqrrsqrHN 上环梁应按轴心受拉构件计算截面配筋并进行抗裂度验算。 3.水箱箱壁 英兹式水塔水箱壁的厚度应根据水箱直径及深度确定，一般最小厚度不小于90mm。水箱箱壁的内力计算方法与有顶盖的圆形水池的池壁相同。 4.中环梁 中环梁起着约束箱壁和倒锥壳底变形的作用，受力比较复杂，因此截面不宜过小，以使其有较大的刚度。
8、中环梁的受力有：水压力；竖壁传来的竖向荷载，考虑自重后为G3；倒锥壳底的反力Nr3。hqq12G3Nr3r这些力使中环梁受拉这些力使中环梁受拉sinsin03333GNGNyrr中环梁所受的环向拉力为rhqqNNr2cos213 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。r0rs12sNr4wh12h水压力自重倒椎壳底4VNr4H4Nr3Nr4Nr3倒椎壳斜底自重12qq倒锥壳斜底高度范围内水压力 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。倒锥斜底中点的环向拉力为wwqqqqqq自重21212rrcotqpsin
9、2hhN0 x21式中为作用在倒锥斜底中点的水压力。xp可以认为水压力方向向下sinr2qssrGwN01234r 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： 径向力Nr4为压力，按混凝土受压构件计算截面配筋。 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。 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sin205r
10、WNrr0wV5 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2030mm，在边缘1/31/4半径范围内布置双层钢筋。 7.下环梁 下环梁上所受的力有V4、V5，还有水平推力H4、H5。当H5H4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H5H4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）。 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
11、中中点。5-3 5-3 倒锥壳式水箱倒锥壳式水箱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，直径小处水压力较大u柔度大，考虑附加弯矩u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。 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 S2S1SrsSSZ ZxNr1Nr1水箱顶盖受力x. 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
12、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：S S2 2Z ZrsNr1Nr1均均匀匀压压力力S S2 2Z ZrsNr1Nr1自自重重作作用用P Ps sg g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. 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：. 下环梁下环梁内力内力轴
13、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： 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 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
14、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
15、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
16、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，
17、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%。
18、 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。 1 / 6 柱 高8 0 0 m m 1 / 6 柱 高8 0 0 m m15d15d 梁 高箍 筋 加 密 区梁 柱 节 点 构 造 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。
19、 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（框架）结构内力计算支架（框架）结构内力计算 n个柱子组成的空间框架结构可以简
20、化成平面框架结构计算。 支架结构承受的荷载有：结构自重、水重、设备重、活荷载、风荷载、地震作用等。 一、支架柱弯矩设计值的确定1 1.风荷载作用 假定把水箱承受的风荷载平均分配给各柱，并作用在柱的顶端。作用在整个支架上的风力沿高度按横撑间距分段计算。在各柱间平均分配，并以集中荷载的形式作用在该段相交的结点上。柱横撑风向PwPwPwPwaabbPwPwPwPw0.707Pw0.707Pw0.707Pw0.707Pw0.707Pw0.707Pw0.707Pw0.707Pw45o 当风力沿着ab、ab平面框架作用时，一榀框架所受的风力为2Pw，垂直方向的框架所受风力为0； 当风力沿对角线作用时，分解
21、后作用在平面框架的分力均 0.707Pw2=1.414Pw。xxxxxx风向x风向xP=1.414PwP=2PwP=1.731PwP=1.847PwP=2PwP=2PwAB柱横撑2P02Pw2Pw2Pw2Pw2Pw1hhhhhhABFF计算F要考虑水箱空载和满载 计算支架柱的弯矩设计值采用近似方法，取相邻两个柱子组成的单跨平面框架（见图中的AB框架）作为研究对象，取2Pw风荷载作为水平结点荷载，如图所示计算简图，可用反弯点法进行内力分析计算。 将横撑看作框架梁，梁端弯矩根据结点力矩平衡条件求得，考虑空间作用，框架梁两端弯矩可按以下近似公式计算：11)(iiiiMMMMM-系数，4柱支架取1.0
22、；6柱取1/1.5；8柱取1/1.7。-下层柱顶弯矩。-上层柱脚弯矩。 二、支架柱弯矩设计值的确定2 1、支架式塔身示意图 2、各层柱剪力 对四根支柱水塔，第i层每根支柱的剪力为4VViijn1iijijiijIIVV 对六根支柱和八根支柱的水塔，因每层柱高相同，混凝土弹性模量相同，所以每根支柱的剪力 .按其惯性矩分配ijI第i层第j根支柱对垂直于荷载作用方向轴线的惯性矩3yycyyxx2yy2xxzzB3xxAhb121IIII21sinIcosIIIbh121II .平均分配nPnPV所计算层反弯点以上的水平荷载总和支柱根数 支柱反弯点位置：可假定底层柱反弯点在基础顶面以上2/3hm处（h
23、m为底层柱高）；中间各层柱的反弯点在柱中间；顶层柱的反弯点在距支架顶2/3h处（h为顶层柱高）。 、应取其较大者。、应取其较大者。 三、计算柱最大轴力或最小轴力设计值的确定 水塔支架在风荷载作用下发生整体弯曲，因而在支架柱上会产生拉力或压力。在风荷载作用下，整体水塔在基础顶面产生的总弯矩设计值为P134PP2P2P2P2P1hhhhhhhoohhhPhhPhhPhhPhhPhhPhPM5543214131212121211 i0zsi0zsiAwAwP关于将风荷载简化为节点集中荷载风荷载体形系数；风压高度变化系数；风振系数；基本风压；计算面积：迎风面与背风面的面积之和。 对于常用的四柱、六柱和
24、八柱支架，最大轴力或最小轴力设计值可按下式计算rMNNrMNNrMNN483624minmaxminmaxminmax四柱支架六柱支架八柱支架rN总的竖向力设计值（应分水箱空载和满载）；下环梁中心的半径。式中四、支架式水塔抗震设计 按底部剪力法计算地震作用 GCF1EkGCF1Ek地震作用作用于水箱重心处结构影响系数，取0.4地震影响系数，按建筑抗震设计规范GB50011-2001等效折算重力，G=水箱重力（包括水箱自重和水重）+0.35支架结构重力（含附属部分重力）参照支架柱弯矩设计值的确定2计算支架内力。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
25、，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.筒壁式塔身：为偏压环形构件，控制截面在基础顶或某层洞口处。a.砖壁:厚度有地震作用控制，强度等级MU不小于10，M不小于5。b.钢筋混凝土壁：配筋 竖向d直径不下于螺纹12200，La不小于40d，搭接不大于25%；环向筋直径d不小于6mm300mm接头做弯钩；强度等级不
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