浅析复杂水塔结构设计

浅析复杂水塔结构设计

郭崇乾

广东南海城乡建筑设计有限公司528200

摘要：随着社会发展，建筑设计多样化，结构设计越来越复杂，原来的设计思路已不能满足社会需求，只有不断尝试探索更多的复杂建筑结构设计，才能顺应社会发展，更好的提高结构设计水平。

关键词：建筑工程；复杂结构；设计

引言：

某职业技术学校水塔的设计，一拿到方案图，就发现这是个硬骨头，一般设计人员不愿意做，建筑复杂，结构难度高，关键是以前没人做过类似的结构。但又觉得是个挑战，遇到个新的型式，下面是设计过程的心得体会.

学校校方领导的意图是，不单建一个水塔，该水塔还要称为学校的标志性建筑，兼具观赏和实用两个功能，而且是一个观光塔，可以登上塔顶，俯视欣赏学校和狮山的全貌。经过建筑方案的多轮筛选，确定了如右图的最后方案。该水塔（包括顶部钢针）总高60米，底标高位于37.5米的是直径为13米的球梯，下半球是水池，容水量300立方，上半球是观光平台；标高为10.0～25.0的是倒锥体水池，容水量是500立方；因为要兼具观光塔的功能，因此建筑的中部是直上观光平台的观光电梯；从地面到球体之间还有3层开放式的观光平台，整个外观熠熠生光，相当漂亮。

整体计算。结构设计的第一件事，就是进行整体分析。该建筑其实可以简化为球形水池和锥形水池两个质点，从抗震的角度来说体型是简单而且合理的。我利用PKPM-SATWE进行建模计算，分别按7度抗震（地震波加速度为0.1s）、7度抗震（地震波加速度为0.15s）和8度抗震（地震波加速度为0.2s）3种情况进行抗震计算，经过计算，结构在地震作用和风作用下的整体指标均满足规范要求。有了整体计算结果的保证，就可以放心地进行具体结构的设计工作。

基础设计。该水塔建于珠基高程是59.0米的山坡上，周围植被和环境不得大规模破坏。由于场地条件的限制，高强预应力管桩（运输受限制，且打桩机械要求的施工平台满足不了）和钻孔桩（由于有泥浆池，对周围环境污染太大，且机械的运输和操作也受限制）都不能采用；而且本建筑对基础的抗弯能力有较高的要求，因此天然基础也不适用；最后经多种比较，我决定采用人工挖孔桩，由于建委有发文限制适用人工挖孔桩，因此专门写了可行性报告，并同建委领导一起进行了实地考察，才在设计中采用了直径为1200mm和1300mm的人工挖孔桩，以强-中风化层为持力层。

水池计算。本水塔有球形和倒锥形两个水池。都不是标准水塔，没有标准图集可以查，而且没有适用的计算软件，只能自己手工计算。为了提高计算的准确性和计算效率，我参考有关书籍（如《钢筋混凝土建筑结构与特种结构手册》等）中水塔和水池的计算，利用Excel编制了《直水塔计算》《球体水池下球壳计算》《柱形水池圆形底板计算》《下环梁计算》等几个计算表格，方便自己重复准确计算，选出最经济合理的截面和配筋，同时为校对和审查工作提供了完整详细的计算书，并且为以后的类似设计提供了方便。

转换的问题。上部的球体是通过中间剪力筒（电梯筒）和六根柱子同下面的倒锥形水池连接，因此在球体和六根柱子交接的位置，以及柱子与倒锥形水池交接的位置，都存在转换的问题（如右图示）。这种转换首先要从计算上准确，再从构造上加强。上部环型转换梁是将球体，包括观光平台和半球形水池的荷载的一部分均匀传递给六根支撑柱（另外一部分由中部电梯剪力筒承担）。下部转换梁是利用六根连接锥形筒和中部电梯筒的转换梁将六根柱子及他们承担的荷载均匀传递到锥形水池和中部剪力筒内。这些转换梁我都将计算机的电算结果和自己手算的结果比较进行配筋，以避免单一算法的局限性。

绘图问题。经过各个部件的计算后，就是绘图的问题了。因为该结构的截面都是球形和锥形，为了表达清楚，各侧壁均绘出详细的钢筋摆放图（因为不是等截面正交，钢筋很难用简化方法表示清楚）。基础，剪力筒，转换梁等重要构件均绘出详细的大样图，方便校审和施工。

总结。通过这次水塔的设计，自己有几点体会：1、做设计一定不能怕困难，很多看上去复杂的结构都可以通过各种手段简化为我们熟悉的力学模式。2、手工计算不能忽略，不能盲目依赖计算机计算软件，很多计算要亲手进行过才能搞清楚来龙去脉，才能心中有数。3、一定要清楚的将自己的设计意图表达在自己的设计中，这样方便校审，也可以减小施工中因为误解设计意图发生错误的次数。该工程施工进行得很顺利，现已竣工，甲方和各方面的反应都很好。

参考文献：

[1]《结构概念和体系》（第二版），林同炎、S•D•斯多台斯伯利著，中国建筑工业出版社，1999

[2]《工程结构裂缝控制》，王铁梦，中国建筑工业出版社，1997

[3]《结构力学》，文国志，重庆大学出版社，2008

[4]《给水排水工程水塔结构设计规程》，CECS139：2002