一种圆形水池环向预应力钢筋配筋计算及张拉方法与流程

1.本发明涉及一种圆形水池环向预应力钢筋配筋计算及张拉方法，属于圆形水池结构设计和施工技术领域。


背景技术：

2.对于调水工程中高水位大体积圆形水池结构，在高内水压力作用下，圆形过流水池的池壁环向拉力较大，池壁竖向裂缝控制是主要问题。对于水池结构地面以下部分，地下水和围岩抗力可以抵消一部分内水压力，采用钢筋混凝土衬砌；对于水池结构的地面以上部分，内水压力则完全由池壁承受，环向抗裂可能满足不了要求，需要采用预应力混凝土来控制池壁裂缝。然而，目前对于地面以上部分水池高度大于30m的超大体积圆形水池结构，尚无可供借鉴的预应力配筋方法和张拉技术。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种圆形水池环向预应力钢筋配筋计算及张拉方法。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，包括：
5.获取目标水池的设计信息，所述设计信息包括几何信息以及地基范围沿水池径向扩展的外伸范围，根据所述几何信息以及地基范围沿水池径向扩展的外伸尺寸信息建立高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型；
6.根据预先确定的荷载条件、地基外围的边界条件以及所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型计算目标水池的径向应力和环向应力；所述荷载条件包括目标水池的水池自重、设计水位以及目标水池所在地的气温；
7.根据所述目标水池的径向应力和环向应力以及所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型计算高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型不同高程处的环向轴力、环向弯矩；
8.根据所述环向轴力、环向弯矩计算得到目标水池边缘的混凝土法向应力，再根据所述混凝土法向应力计算各段需配置的预应力钢筋的配筋量。
9.进一步的，在计算得到各段需配置的预应力钢筋的配筋量后，计算各高程处配筋量的差值，将相差10％以内的高程统一取较大的配筋量作为最终的配筋量。
10.进一步的，所述几何学信息包括：水池高度、水池池壁厚度、进水管位置和尺寸、出水管位置和尺寸，所述水池高度包括水池地面以上部分高度和水池地面以下部分高度。
11.进一步的，所述外伸范围为水池地面以上部分高度h的2倍以上。
12.进一步的，根据预先确定的荷载条件、地基外围的边界条件以及所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型采用有限元法计算得到柱坐标系(r,θ,z)下的目标水池的径向应力σr和环向应力σ
θ
，r,θ,z分别表示柱坐标系的径向坐标、环向坐标和竖
向坐标。
13.进一步的，所述根据所述目标水池的径向应力和环向应力以及所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型计算高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型不同高程处的环向轴力、环向弯矩，包括：
14.将所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型中的水池地面以上部分沿高程方向划分为若干段高程，沿每段高程的环向取若干截面，根据所述径向应力、环向应力积分得到各高程处每个截面的环向轴力n
ci
、环向弯矩m
ci
；
15.分别取各高程处所有截面中环向轴力和环向弯矩的最大值作为该高程处的环向轴力fn和环向弯矩m。
16.进一步的，所述每个截面的环向轴力、环向弯矩的计算公式为：
17.n
ci
＝∫σ
rid·
he18.m
ci
＝∫σ
θi
(r-r0)d
·
he19.式中，n
ci
为该截面的环向轴力，m
ci
为该截面的环向弯矩，he为该高程处的单元高度，所述单元高度为构建好的所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型的单元网格对应的高度，r0为截面形心处的半径，σ
ri
为该截面的径向应力，σ
θi
为该截面的环向应力。
20.进一步的，所述预应力钢筋的配筋量的计算公式为：
[0021][0022]
式中，a
p
为预应力钢筋的配筋量，a0为换算截面面积，f
yp
为预应力钢筋的有效预应力，σ
ck
为水池边缘的混凝土法向应力。
[0023]
所述换算截面面积的计算公式为：
[0024]
a0＝ac+α
eas
+α
ea′s[0025]
式中，ac为混凝土截面面积，ac＝bh，b为水池壁厚，h为单位高度；αe为普通钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；as为配置普通钢筋时计算得到的池壁内侧的配筋量；a
′s为配置普通钢筋时计算得到的池壁外侧的配筋量。
[0026]
所述水池边缘的混凝土法向应力包括水池内侧边缘的混凝土法向应力σ
ck1
和水池外侧边缘的混凝土法向应力σ
ck2
；
[0027]
所述水池内侧边缘的混凝土法向应力σ
ck1
的计算公式为：
[0028][0029]
所述水池外侧边缘的混凝土法向应力σ
ck2
的计算公式为：
[0030][0031]
式中，w为弯曲截面系数，对于矩形截面
[0032]
进一步的，所述沿高程方向划分为若干段高程的方式的确认过程，包括：
[0033]
方式一：每划分为一段，h为水池地面以上部分高度水池地面以上部分高度；
[0034]
方式二：每3～5米为一段；
[0035]
取方式一和方式二中较大值为最终的划分方式。
[0036]
一种圆形水池环向预应力钢筋张拉方法，
[0037]
在水池池壁中间预埋预应力筋埋置管道，利用所述的圆形水池环向预应力钢筋计算方法计算得到各段需配置的预应力钢筋的配筋量，在所述预应力筋埋置管道配置预应力钢筋，在水池池壁外侧沿圆周方向每90
°
角设置一个扶壁柱，用于预应力钢筋的张拉和锚固；
[0038]
水池各段高程每圈预应力钢筋分为两段张拉，每一段预应力钢筋的圆心角为180
°
，张拉时两端同时张拉；
[0039]
沿水池高程方向每3～5圈预应力钢筋改变张拉、锚固的扶壁柱。
[0040]
本发明所达到的有益效果：
[0041]
本发明克服现有技术中无可供借鉴的调水工程中地面以上部分大于30m的超高水位大体积圆形水池环向预应力钢筋配筋和张拉方法，通过建立高位水池-地基系统三维有限元模型，根据内力计算结果，提供一种高水位大体积圆形水池环向预应力钢筋配筋和张拉方法，本技术提供的配筋方法精度较好，且预应力钢筋张拉方法便于快速施工。
附图说明
[0042]
图1为本发明的流程示意图；
[0043]
图2为高水位大体积圆形水池-地基系统示意图；
[0044]
图3为水池地面以上部分沿高程方向划分示意图；
[0045]
图4为每段环向所取截面示意图；
[0046]
图5为水池池壁外侧扶壁柱布置示意图。
[0047]
图中1-池壁，2-第一扶壁柱，3-第二扶壁柱，4-第三扶壁柱，5-第四扶壁柱。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0049]
实施例1，
[0050]
如图1所示为一种圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法的流程图，包括以下步骤：
[0051]
步骤1.1)如图2所示，采集水池的几何信息，包括水池高度(分地面以上部分高度和地面以下部分高度)、水池池壁厚度、进水管位置和尺寸、出水管位置和尺寸，地基范围沿水池径向扩展，采用有限元软件建立高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型，水池地面以上部分高度30.5m，地面以下部分高度54.9m，地基外伸范围约为水池地面以上部分高度h的4倍；
[0052]
步骤1.2)施加水池自重(根据实际水池大小可确定水池自重)、池内水压力(池内水深79.5m)、地下水压力、风荷载、温度作用这些荷载条件以及地基外围的边界条件(法向
约束)，采用三维有限元法计算水池应力；
[0053]
步骤1.3)将水池地面以上部分沿高程方向划分为8段，如图3所示，每段取一个单元高度，图中数值为每段单元形心位置高程；再沿每段的环向取若干截面，如图4所示，图中数值为该截面与圆心连线方向相对x轴的偏转角，根据计算得到的柱坐标系下(r,θ,z)的径向应力σr、环向应力σ
θ
积分得到各高程处环向8个断面的环向轴力n
ci
、环向弯矩m
ci
。
[0054]nci
＝∫σ
rid·
he[0055]mci
＝∫σ
θi
(r-r0)d
·
he[0056]
式中，he为该高程处单元的高度，r0为断面形心处的半径。取该高程处所有选取断面中环向轴力n
ci
、环向弯矩m
ci
的最大值作为该高程的环向轴力fn、环向弯矩m，上部水池各高程环向轴力和环向弯矩如表1所示。
[0057]
表1上部水池各高程环向轴力和环向弯矩
[0058]
高程/m环向轴力(kn/m)环向弯矩(kn
·
m/m)47.48-275.94167.3143.42338.47190.1939.35688.83196.6535.281161.47198.0731.221727.77202.7727.152416.86200.7323.082432.33176.0619.02816.45212.77
[0059]
步骤1.4)根据有限元计算得到的环向轴力fn、环向弯矩m，假定混凝土法向应力沿筒壁厚度方向线性分布，计算得到池壁边缘内侧和外侧的混凝土法向应力σ
ck
，如表2所示，然后根据下式计算各段需配置的预应力钢筋的配筋量a
p
，如表2所示
[0060][0061]
式中，a0为换算截面面积，如表2所示；f
yp
为预应力钢筋的有效预应力，使用标准强度为f
ptk
＝1860mpa的钢绞线，考虑预应力损失后的有效预应力为f
yp
＝0.65f
ptk
＝1209mpa。
[0062]
换算截面面积a0按下式计算
[0063]
a0＝ac+α
eas
+α
ea′s[0064]
式中，ac为混凝土截面面积，ac＝bh，b为水池壁厚，g为单位高度；αe为普通钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，弹性模量根据混凝土标号及钢筋型号查《水工混凝土结构设计规范》(sl 191-2008)确定；as为按《水工混凝土结构设计规范》(sl 191-2008)配置普通钢筋时计算得到的池壁内侧的配筋量；a
′s为按《水工混凝土结构设计规范》(sl 191-2008)配置普通钢筋时计算得到的池壁外侧的配筋量。
[0065]
所述水池边缘的混凝土法向应力包括水池内侧边缘的混凝土法向应力σ
ck1
和水池外侧边缘的混凝土法向应力σ
ck2
；
[0066]
所述水池内侧边缘的混凝土法向应力σ
ck1
的计算公式为：
[0067][0068]
所述水池外侧边缘的混凝土法向应力σ
ck2
的计算公式为：
[0069][0070]
式中，w为弯曲截面系数，对于矩形截面
[0071]
表2各高程处池壁边缘内侧和外侧的混凝土法向应力及预应力钢筋配筋量
[0072][0073]
步骤1.5)高程27.15m和23.08m处配筋量相差10％以内，合并27.15m和23.08m高程处配筋量，均按2846mm2/m配筋。
[0074]
实施例2，一种圆形水池环向预应力钢筋张拉方法，包括：
[0075]
步骤1.6)在池壁1中间预埋预应力筋埋置管道，根据步骤1.5)计算的配筋量配置预应力钢筋，预应力钢筋配置在池壁中间，在水池的池壁1外侧按90
°
角设置4个扶壁柱，如图5所示，分别为第一扶壁柱2、第二扶壁柱3、第三扶壁柱4和第四扶壁柱5，用于预应力钢筋的张拉和锚固；
[0076]
步骤1.7)水池各区段每圈预应力钢筋分为两段张拉，每一段预应力钢筋的圆心角为180
°
，张拉时两端同时张拉；
[0077]
步骤1.8)沿水池高度方向每4圈预应力钢筋改变张拉、锚固的扶壁柱。
[0078]
本发明的环向预应力钢筋配筋和张拉方法可应用于水利工程中高水位大体积圆形水池结构的预应力配筋设计和施工。本发明通过高位水池-地基系统三维有限元模拟得到的内力值，提供一种预应力钢筋配筋量的计算方法，并根据计算的配筋量提供一种预应力钢筋的张拉方法，本技术提供的配筋方法精度较好，且预应力钢筋张拉方法便于快速施工。
[0079]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0080]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0081]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0082]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0083]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，包括：获取目标水池的设计信息，所述设计信息包括几何信息以及地基范围沿水池径向扩展的外伸范围，根据所述几何信息以及地基范围沿水池径向扩展的外伸尺寸信息建立高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型；根据预先确定的荷载条件、地基外围的边界条件以及所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型计算目标水池的径向应力和环向应力；所述荷载条件包括目标水池的水池自重、设计水位以及目标水池所在地的气温；根据所述目标水池的径向应力和环向应力以及所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型计算高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型不同高程处的环向轴力、环向弯矩；根据所述环向轴力、环向弯矩计算得到目标水池边缘的混凝土法向应力，再根据所述混凝土法向应力计算各段需配置的预应力钢筋的配筋量。2.根据权利要求1所述的圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，在计算得到各段需配置的预应力钢筋的配筋量后，计算各高程处配筋量的差值，将相差10％以内的高程统一取较大的配筋量作为最终的配筋量。3.根据权利要求1所述的圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，所述几何学信息包括：水池高度、水池池壁厚度、进水管位置和尺寸、出水管位置和尺寸，所述水池高度包括水池地面以上部分高度和水池地面以下部分高度。4.根据权利要求1所述的圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，所述外伸范围为水池地面以上部分高度h的2倍以上。5.根据权利要求1所述的圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，根据预先确定的荷载条件、地基外围的边界条件以及所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型采用有限元法计算得到柱坐标系(r，θ，z)下的目标水池的径向应力σ
r
和环向应力σ
θ
，r，θ，z分别表示柱坐标系的径向坐标、环向坐标和竖向坐标。6.根据权利要求5所述的圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，所述根据所述目标水池的径向应力和环向应力以及所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型计算高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型不同高程处的环向轴力、环向弯矩，包括：将所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型中的水池地面以上部分沿高程方向划分为若干段高程，沿每段高程的环向取若干截面，根据所述径向应力、环向应力积分得到各高程处每个截面的环向轴力n
ci
、环向弯矩m
ci
；分别取各高程处所有截面中环向轴力和环向弯矩的最大值作为该高程处的环向轴力f
n
和环向弯矩m。7.根据权利要求6所述的圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，所述每个截面的环向轴力、环向弯矩的计算公式为：n
ci
＝∫σ
ri
dr
·
h
e
m
ci
＝∫σ
θi
(r-r0)dr
·
h
e
式中，n
ci
为该截面的环向轴力，m
ci
为该截面的环向弯矩，h
e
为该高程处的单元高度，所述单元高度为构建好的所述高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型的单元
网格对应的高度，r0为截面形心处的半径，σ
ri
为该截面的径向应力，σ
θi
为该截面的环向应力。8.根据权利要求7所述的圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，所述预应力钢筋的配筋量的计算公式为：式中，a
p
为预应力钢筋的配筋量，a0为换算截面面积，f
yp
为预应力钢筋的有效预应力，σ
ck
为水池边缘的混凝土法向应力。所述换算截面面积的计算公式为：a0＝a
c
+α
e
a
s
+α
e
a
′
s
式中，a
c
为混凝土截面面积，a
c
＝bh，b为水池壁厚，h为单位高度；α
e
为普通钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；a
s
为配置普通钢筋时计算得到的池壁内侧的配筋量；a
′
s
为配置普通钢筋时计算得到的池壁外侧的配筋量；所述水池边缘的混凝土法向应力包括水池内侧边缘的混凝土法向应力σ
ck1
和水池外侧边缘的混凝土法向应力σ
ck2
；所述水池内侧边缘的混凝土法向应力σ
ck1
的计算公式为：所述水池外侧边缘的混凝土法向应力σ
ck2
的计算公式为：式中，w为弯曲截面系数，对于矩形截面9.根据权利要求6所述的圆形水池环向预应力钢筋配筋计算方法，其特征在于，所述沿高程方向划分为若干段高程的方式的确认过程，包括：方式一：每划分为一段，h为水池地面以上部分高度水池地面以上部分高度；方式二：每3～5米为一段；取方式一和方式二中较大值为最终的划分方式。10.一种圆形水池环向预应力钢筋张拉方法，其特征在于，在水池池壁中间预埋预应力筋埋置管道，利用权利要求1-9任意一项所述的圆形水池环向预应力钢筋计算方法计算得到各段需配置的预应力钢筋的配筋量，在所述预应力筋埋置管道配置预应力钢筋，在水池池壁外侧沿圆周方向每90
°
角设置一个扶壁柱，用于预应力钢筋的张拉和锚固；水池各段高程每圈预应力钢筋分为两段张拉，每一段预应力钢筋的圆心角为180
°
，张拉时两端同时张拉；沿水池高程方向每3～5圈预应力钢筋改变张拉、锚固的扶壁柱。

技术总结
本发明公开了一种圆形水池环向预应力钢筋配筋计算及张拉方法，构建高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型；根据荷载条件、地基外围的边界条件以及高水位大体积圆形水池-地基系统三维有限元网格模型计算目标水池的径向应力和环向应力；根据目标水池的径向应力和环向应力以及有限元网格模型计算有限元网格模型不同高程处的环向轴力、环向弯矩；根据环向轴力、环向弯矩计算得到目标水池边缘的混凝土法向应力，再根据所述混凝土法向应力计算各段需配置的预应力钢筋的配筋量。优点：通过建立高位水池-地基系统三维有限元模型，根据内力计算结果，提供钢筋配筋和张拉方法，精度较好，且预应力钢筋张拉方法便于快速施工。施工。施工。


技术研发人员：江守燕 欧泽锋 严振瑞 郭泽锋 杜成斌 孙立国 陈玉泉
受保护的技术使用者：广东省水利电力勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/6