钢筋混凝土球形水塔设计分析和研究

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发布时间：2021-09-13

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钢筋混凝土球形水塔设计分析和研究
尹华容
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)
摘要：钢筋混凝土球形水塔经久耐用，造型新颖美观。通过
球形水箱结构内力分析，确定计算理论；通过水箱两种内力计
算方法的对比，确定合理的计算方法；支筒结构分析中重点对
地震作用下按底部剪力法、振型分解反应谱法及单质点体系法
分别进行计算对比，从而得出单质点体系法比较适宜球形水塔
支筒的计算，同时支筒必须考虑风荷载和附加弯矩的作用。
关键词：球形水塔；水箱；支筒；结构分析与计算
中图分类号：文献标识码：
文章编号：1004—2954(2010)06—0122—04
1 概述
钢筋混凝土球形水塔为新型水塔，其水箱为球形
壳体结构(双向曲面壳体)，支承结构为支筒式(或支
架式)。该种结构经久耐用、造型新颖美观，主要由水
箱、塔身、基础和一些附属设施组成。结构上的竖向作
用有自重、水重、设备重、活荷载、竖向地震作用，水平
作用有风荷载和水平地震荷载。水塔是一种高柔构筑
物，它的荷载主要集中在结构顶部，在水平地震作用下
作水平摆动，同时也随着地面的竖向震动发生竖向
运动。
钢筋混凝土球形水塔的主体结构由3部分组成：
水箱、支承结构(支筒或支架)、基础，结构受力分析可
按这三部分分别进行分析计算，然后进行地基承载力
和结构整体稳定计算。
2 水箱结构设计
2．1 水箱内力分析
球形水箱的设计应满足结构安全及经济、合理性
要求。从计算上看，球形水箱支承在球体的赤道上
(图1)内力小、稳定性好，可用简化的薄膜内力分析，
误差很小，故一般的球形容器多支承在球体的赤道上，
特别是钢球容器更为多见，如化工、石油系统的贮气
罐、贮液罐等即是如此。但若将球形水箱支承在球体
赤道上，则显示出结构比较粗笨，且造价较高。而采用
较细的支筒支承水箱(图2)，造型美观，但这种支承方
式造成了水箱支承处球壳内力分析的复杂性，采用简
单的薄膜内力法计算水箱误差较大。
收稿日期：2010—03一O9
作者简介：尹华容(1973一)，女，工程师，1995年毕业于西南交通大学。
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图1 球体赤道支承图2 球体底部支承
球形水箱的受力状态，虽然风荷载是其静力计算
的主要水平荷载，但对水箱的受力状态影响有限，可不
考虑。水箱的设计荷载主要考虑水箱内水压力、结构
自重和球顶雪荷载或活载，对于水箱顶部积灰荷载，实
际上不起控制作用，可忽略，球体受力示意见图3。
自重
自重
雪荷载或活载
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图3 球体受力示意
对于球形水箱的内力分析方法，有两种方法：(1)
无弯矩理论也称薄膜理论，计算只考虑壳体结构内的
轴向力(径向力和环向力)，不考虑壳体内及边缘处的
弯矩，在壳体节点处按构造要求对壳体边缘处适当加
固，以考虑边缘处变矩作用。这种计算方法适合于容
积不太大的水箱；(2)有弯矩理论，计算除考虑壳体的
轴向薄膜内力外，尚应考虑壳体边端弯矩作用。如何
考虑边端弯矩的作用，目前也有两种，一种是按边端为