鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水池的設(shè)計(jì)與施工

胡建強(qiáng)

（立誠(chéng)建筑設(shè)計(jì)院有限公司，蘇州215200）

1 鋼筋混凝土水池簡(jiǎn)介

水池是工業(yè)與民用建筑中常用的構(gòu)筑物。在各種材料的水池中，鋼筋混凝土水池因具有耐久性好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣。鋼筋混凝土水池按用途可分為水處理用池和貯水池；按水池建造位置可分為地上式水池、地下式水池和半地下式水池；按幾何形狀可分為圓形水池和矩形水池；按結(jié)構(gòu)型式可分為封閉式水池和開(kāi)敞式水池；按施工方法可分為整體式、裝配式和裝配整體式水池；按配筋方式可分為非預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力水池。

水池池壁可做成不同的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力大小及其分布情況，主要有等厚池壁和變厚池壁2種。其中等厚池壁又可分為矩形水池和圓形水池，前者常用于容量在200m3以下的情況，后者常用于容量在200m3以上1 000m3以下的情況。而變厚池壁常用于容量大于1 000m3的水池池壁。

貯水池的頂蓋和底板多采用平頂和平底型式。水處理用池由于工藝的特殊要求，池底常做成倒錐殼、倒球殼，或多個(gè)旋轉(zhuǎn)殼體組成的復(fù)雜型式。倒錐殼和倒球殼組合池底形成的加速澄清池，如圖1所示。

2 作用在水池上的主要荷載

作用在水池上的主要豎向荷載有池頂荷載和池底荷載，主要水平荷載有池壁荷載，如圖2所示。

2.1 池頂荷載

作用在池頂上的荷載主要有頂板自重、構(gòu)造層重、上覆土重、活荷載和雪荷載。其中活荷載和雪荷載不同時(shí)考慮，計(jì)算時(shí)取2者中的較大值。

2.2 池底荷載

對(duì)于整體式底板而言，所謂池底荷載指的是底板所受的地基反力和地下水產(chǎn)生的浮力，其效果是在底板中產(chǎn)生彎矩和剪力。相應(yīng)的計(jì)算公式為

2.3 池壁荷載

池壁承受的荷載主要是作用于水平方向的水壓力和土壓力。

池壁水壓力按三角形分布，池內(nèi)底面處的最大水壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為

池壁土壓力按主動(dòng)土壓力計(jì)算，池壁外側(cè)壓力按梯形分布。

池壁頂端外側(cè)壓力組合標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為

池壁底端外側(cè)壓力組合標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為

2.4 作用在水池結(jié)構(gòu)上的其他荷載

除了上述最常見(jiàn)的荷載之外，還有一些其他作用會(huì)對(duì)水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)中主要考慮的有溫度和濕度變化以及地震作用等，它們都會(huì)對(duì)水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，在設(shè)計(jì)中必須加以考慮。

溫度和濕度的變化會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生膨脹或收縮變形，若這種變形受到約束就會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生相應(yīng)的附加應(yīng)力，稱(chēng)為溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力。導(dǎo)致這種溫度或濕度應(yīng)力產(chǎn)生的原因可以歸納為2個(gè)方面：池壁內(nèi)外的溫濕度差異和施工與使用期的溫濕度差異。前者指的是使用期內(nèi)池內(nèi)水溫與池外氣溫（土體溫度）存在差值，后者指的是施工期混凝土硬化后與使用期的最值溫度存在差值。

地震作用也可能對(duì)水池結(jié)構(gòu)造成破壞，設(shè)計(jì)中也需要加以考慮，一般僅需驗(yàn)算水平地震作用。與地上結(jié)構(gòu)相比，由于整體式鋼筋混凝土水池的整體性能好，具有良好的抗震性能，能夠抵御一定烈度的地震作用。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于設(shè)計(jì)地震烈度為7度及以下的地面式和地下式水池，以及設(shè)計(jì)地震烈度為8度，但平面較規(guī)則（長(zhǎng)寬比小于1.5）且沒(méi)有變形縫（整體性好）的有頂蓋地下式鋼筋混凝土矩形水池不需專(zhuān)門(mén)作抗震驗(yàn)算，而只需采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。當(dāng)設(shè)計(jì)地震烈度較大的9度及以上時(shí)，除需計(jì)算水平地震效應(yīng)外，還要計(jì)算豎向地震作用效應(yīng)，并將2者進(jìn)行組合，一般采用平方和開(kāi)平方的方法進(jìn)行。

2.5 荷載組合

水池一般應(yīng)根據(jù)下列3種不同的荷載組合方式分別計(jì)算內(nèi)力：

1）池內(nèi)滿水，池外無(wú)土；

2）池內(nèi)無(wú)水，池外有土；

3）池內(nèi)滿水，池外有土。

3 鋼筋混凝土矩形水池設(shè)計(jì)

下面以鋼筋混凝土矩形水池為例，對(duì)其設(shè)計(jì)方法和流程進(jìn)行介紹，圓形水池的設(shè)計(jì)與之類(lèi)似，不再專(zhuān)門(mén)列出。

3.1 不同長(zhǎng)高比池壁的計(jì)算假定

在側(cè)向荷載作用下，不同長(zhǎng)高比的水池池壁受力情況是不同的，其計(jì)算假定需符合實(shí)際受力情況。池壁在側(cè)向荷載作用下單、雙向受力的劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 側(cè)向荷載作用下池壁單、雙向受力的劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.2 池壁邊界（支承）條件的確定

1）開(kāi)敞式水池

擋土（水）墻式水池池壁：按頂端自由、底端固定的邊界條件進(jìn)行計(jì)算；雙向板式水池的池壁：頂邊按自由計(jì)算，底邊一般可視為固定支承；水平框架式水池：與底板的連接處可按固定端考慮，相鄰池壁間可視為彈性固定。

2）封閉式水池

擋土（水）墻式水池：應(yīng)根據(jù)池壁和頂板的線剛度之比來(lái)確定池壁的邊界條件。當(dāng)池壁線剛度與頂板線剛度之比大于5時(shí)，池壁頂端可視為鉸接，否則應(yīng)按彈性固定計(jì)算。池壁與底板的連接處可按固定端考慮。

雙向板式水池的池壁：按與上述封閉式擋土（水）墻式水池相同的原則確定池壁頂端邊界條件，底邊一般可視為固定支承；水平框架式水池：頂板的連接應(yīng)根據(jù)構(gòu)造及剛度關(guān)系按鉸接或彈性固定考慮，底板的連接一般可按固定考慮。

3.3 水池的結(jié)構(gòu)布置原則

1）平面布置

矩形水池的平面一般是長(zhǎng)方形的，其布置應(yīng)由地形來(lái)確定。

2）基礎(chǔ)形式

擋土（水）墻式水池基礎(chǔ)通常采用在池壁下設(shè)置帶形基礎(chǔ)，而底板采用鋪砌式結(jié)構(gòu)；雙向板式和水平框架式水池基礎(chǔ)，底板通常做成整體式。

3）伸縮縫的設(shè)置

伸縮縫的設(shè)置根據(jù)建造位置進(jìn)行考慮。

對(duì)于建造于土基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地上式水池，伸縮縫的間隔不宜超過(guò)20m；溫度區(qū)段的長(zhǎng)度不宜超過(guò)20m；對(duì)于建造于巖基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地上式水池，伸縮縫的間隔不宜超過(guò)15m。

對(duì)于建造于土基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下式水池，伸縮縫的間隔不宜超過(guò)30m；對(duì)于建造于巖基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下式水池，伸縮縫的間隔不宜超過(guò)20m。

伸縮縫宜做成貫通式，在池壁、基礎(chǔ)及底板處均斷開(kāi)，縫寬不宜小于2mm。

4）擋土（水）墻式水池池壁結(jié)構(gòu)型式

開(kāi)敞式擋土（水）墻式水池池壁，宜做成變厚度池壁，池壁底厚＝1.5倍池壁頂厚；開(kāi)敞式擋土（水）墻式水池池壁，做成等厚度池壁；雙向板式水池池壁，一般做成等厚池壁；水平框架式水池池壁，一般做成階梯式變厚池壁。

3.4 地基承載力及抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

當(dāng)水池基礎(chǔ)采用整體式底板時(shí)，一般可假設(shè)地基反力為均勻分布。地基承載力驗(yàn)算公式為

式中，fa為修正后的地基持力層承載力特征值，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2002）的規(guī)定確定。

當(dāng)水池底面標(biāo)高在地下水位以下，或位于地表滯水層內(nèi)而又無(wú)排除上層滯水措施時(shí)，地下水或地表滯水就會(huì)對(duì)水池產(chǎn)生浮力。當(dāng)水池處于空池狀態(tài)時(shí)就有被浮托起來(lái)或池底板和頂板被浮力頂裂的危險(xiǎn)。此時(shí)，應(yīng)對(duì)水池進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。

1）水池整體抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.5 水池計(jì)算

矩形水池的計(jì)算要點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：對(duì)于地上式水池，需考慮池內(nèi)滿水和壁面溫差效應(yīng)；對(duì)于地下式水池，需考慮池內(nèi)滿水、池外無(wú)土和池內(nèi)無(wú)水、池外有土2種工況。池壁及底板的受力性質(zhì)主要分為受彎、偏心受拉和偏心受壓3種情況。當(dāng)池壁池底處于受彎、大偏心受壓或大偏心受拉時(shí)，池壁及底板允許出現(xiàn)裂縫，按受彎構(gòu)件進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。當(dāng)池壁池底處于小偏拉時(shí)，不允許出現(xiàn)裂縫，按軸心受拉構(gòu)件進(jìn)行抗裂度驗(yàn)算。無(wú)頂蓋擋土墻式水池采用分離式底板時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算池壁的抗傾覆穩(wěn)定性及抗滑移穩(wěn)定性。采用整體式底板的地下式矩形水池，當(dāng)?shù)叵滤桓哂诘装宓酌鏁r(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。

對(duì)于擋土（水）墻式水池，遵循下列設(shè)計(jì)步驟：

1）初步估算池壁底端的厚度，基礎(chǔ)底板的厚度一般選成與池壁底端厚度相同；

2）選定基礎(chǔ)的寬度和它伸出池壁以外的寬度；

3）按所選的池壁及基礎(chǔ)截面驗(yàn)算穩(wěn)定性及基底土體應(yīng)力；

4）計(jì)算池壁和基礎(chǔ)的內(nèi)力及配筋，并驗(yàn)算裂縫。

2）水池局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算——僅對(duì)池內(nèi)有中間支柱的封閉式水池

4 鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)的施工

4.1 施工縫技術(shù)要點(diǎn)

水池底板一次澆筑完成，底板與池壁的施工縫在池壁下八字以上150～200mm處，底板與柱的施工縫設(shè)在底板表面。水池池壁豎向一次澆到頂板八字板以下150～300mm處，該處設(shè)施工縫，柱基、柱身及柱帽分兩次澆筑，第一次澆到柱基以上100～150mm，第二次聯(lián)通柱帽一起澆至池頂板下皮，池頂一次完成。

4.2 鋼筋混凝土施工技術(shù)要點(diǎn)

首先對(duì)施工縫進(jìn)行鑿毛處理。當(dāng)池壁根部混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa時(shí)開(kāi)始鑿毛，鑿毛應(yīng)用剁斧或尖錘輕錘將混凝土的不密實(shí)表面及浮漿鑿掉露出新茬，鑿毛過(guò)程中要注意保護(hù)混凝土的棱角，不要將粗集料剔出。

池壁鋼筋綁扎時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制好內(nèi)外層鋼筋的凈尺寸，為此可采用排架或板凳筋作法。

對(duì)正常厚度的池壁，池壁模板一次支到頂板腋角以下200～300mm左右。

4.3 池壁混凝土澆筑

混凝土澆筑平臺(tái)與池壁模板連成一體時(shí)，應(yīng)保證池壁模板的整體穩(wěn)定，避免模板振動(dòng)變形而影響混凝土的硬化。施工縫應(yīng)事先清除干凈，保持濕潤(rùn)，但不得積水。澆筑前施工縫應(yīng)先鋪15～20mm厚的與混凝土配合比相同的水泥砂漿，與混凝土的澆筑的間隔時(shí)間不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)。池壁混凝土應(yīng)分層澆筑完成，每層混凝土的澆筑厚度不應(yīng)超過(guò)400mm，沿池壁高度均勻攤鋪，每層水平高差不超過(guò)400mm。池壁的混凝土澆到頂部應(yīng)停1h，待混凝土下沉后再作2次振動(dòng)，消除因沉降而產(chǎn)生的頂部裂縫。澆筑后的混凝土應(yīng)及時(shí)覆蓋和灑水養(yǎng)護(hù)。

4.4 混凝土養(yǎng)護(hù)要求

夏季澆筑的混凝土，如養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，會(huì)造成混凝土強(qiáng)度降低或表面出現(xiàn)塑性收縮裂縫等，因此，必須加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)?；炷脸跄罅⒓催M(jìn)行養(yǎng)護(hù)，連續(xù)養(yǎng)護(hù)14d以上。池壁在澆筑混凝土14d后方可拆模，養(yǎng)護(hù)時(shí)池壁頂設(shè)置灑水管，應(yīng)確保各部位池壁濕潤(rùn)到位。池底板及頂板澆筑完畢后的12h以內(nèi)對(duì)混凝土加以覆蓋并保濕養(yǎng)護(hù)。當(dāng)完成規(guī)定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間后拆模時(shí)，最好為其表面提供潮濕的覆蓋層，池外及時(shí)回填土。

5 結(jié) 語(yǔ)

水池作為特種結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)具有特殊性，但是也可簡(jiǎn)化成我們熟悉的工程模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。只有全面了解水池各構(gòu)件的組成及聯(lián)系，才能更好的對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，以形成較為正確的計(jì)算模式。同時(shí)，將工程實(shí)踐中的實(shí)例反饋到設(shè)計(jì)中，不斷填充設(shè)計(jì)依照的工程案例，增強(qiáng)工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)踐性，以便于以后更好地服務(wù)于實(shí)際工程。此外，也需要高度重視施工階段，只有設(shè)計(jì)與施工緊密相結(jié)合，才能設(shè)計(jì)出更為科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)安全的水池結(jié)構(gòu)。

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