淺談鋼筋混凝土矩形水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳漢輝

身份證號碼：441282198102270816 廣西省南寧市 530021

摘要：鋼筋混凝土矩形水池作為常見的特種結(jié)構(gòu)類型，被廣范應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的給水、污水、消防工程中。設(shè)計(jì)時(shí)，先要進(jìn)行各種不同的荷載組合，其次要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、抗裂度和裂縫寬度驗(yàn)算等。只有這樣才能保證水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技 術(shù)與經(jīng)濟(jì)合理性。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；水池結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土矩形水池作為特種結(jié)構(gòu)，被廣范應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑的給水、消防、排污工程中。鋼筋混凝土矩形水池（以下簡稱水池）池體結(jié)構(gòu)一般由池壁、底板和頂蓋（是否封閉加蓋由工藝需要決定）所組成。然而水池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有其特定的技術(shù)要求，如防腐抗?jié)B等。

一、水池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合的規(guī)定

各種結(jié)構(gòu)類別、形式的水池均應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。根據(jù)荷載條件、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，決定是否驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。鋼筋混凝土水池應(yīng)進(jìn)行抗裂度或裂縫寬度的驗(yàn)算。在荷載作用下，構(gòu)件截面為軸心受拉或小偏心受拉的受力狀態(tài)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗裂度驗(yàn)算，在使用階段荷載作用下，構(gòu)件截面為受彎、大偏心受壓或大偏心受拉的受力狀態(tài)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行裂縫寬度的驗(yàn)算。預(yù)應(yīng)力混凝土水池還應(yīng)進(jìn)行抗裂度驗(yàn)算。

2.荷載及荷載組合

（1）各種荷載。

水壓：現(xiàn)在習(xí)慣上將水池按滿水來計(jì)算水壓，這是因?yàn)椋阂环矫婧芸赡艽嬖谡`操作而造成滿池；另一方面今后工藝上有可能挖潛而超過原設(shè)計(jì)水位；土壓力：池外有填土的水池，土對池壁的側(cè)壓力通常用朗肯理論計(jì)算土的主動壓力；地下水壓力：地下水壓對水池底板的托浮力是威脅水池底板安全的一種主要荷載，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視，為了抵消地下水對底板的影響，在用無梁板作為底板時(shí)，其最經(jīng)濟(jì)有效的辦法是以池底浮土來平衡，而采用增加結(jié)構(gòu)自重的方法是不經(jīng)濟(jì)的，當(dāng)?shù)叵滤坏陀诔氐锥豢紤]地下水壓時(shí)，需采取措施排除地表滯水；溫、濕度荷載：由于環(huán)境的影響，造成結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生溫度或濕度的變化，從而引起結(jié)構(gòu)物體積變化，當(dāng)這種體積變化受到約束時(shí)，就會產(chǎn)生應(yīng)力。

（2）荷載組合。

①水壓+ 自重。這是水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本組合。

②水壓+ 自重+ 冬季溫差。綜合溫差、濕差和水壓的共同作用，當(dāng)壁面冬季溫差的絕對值大于夏季壁面濕差（化為等效溫差）的絕對值時(shí)，這種情況是最不利的組合。

③水壓+ 自重+ 濕差。綜合溫差、濕差和水壓的共同作用，當(dāng)夏季壁面濕差（化為等效溫差）的絕對值大于冬季壁面溫差的絕對值時(shí)，這種情況是最不利的組合。

④土壓+ 自重。這是指池外有覆土的水池，當(dāng)有地下水時(shí)還應(yīng)包括地下水壓，這種組合是水池荷載的基本組合之一，當(dāng)水池建成后運(yùn)營前以及水池放空期間均屬此種荷載組合情況。根據(jù)上述幾種情況，可歸納為如下兩類：a.無覆土的水池，池壁的荷載應(yīng)取上述四種組合的最不利情況求得內(nèi)力。b.有覆土的水池，可不考慮② 和③ 兩種組合。

3.水池的構(gòu)造要求

3.1水池的受力壁板和底板厚度不宜小于200mm，頂板厚度不宜小于150mm.當(dāng)鋼筋混凝土水池采用構(gòu)造底板時(shí)，底板厚度不應(yīng)小于120mm，底板頂面應(yīng)配置構(gòu)造鋼筋，配筋量不宜小于每米5根直徑8mm的鋼筋。

3.2水池的最小保護(hù)層厚度應(yīng)滿足給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程要求。

3.3鋼筋混凝土水池長度大于30m（室內(nèi)或土中）或20m（露天）便需要設(shè)伸縮縫，縫寬20mm～30mm.伸縮縫應(yīng)做成貫通式，在同一剖面上連同底板、頂板一起斷開。大型水池還需要設(shè)施工縫，主要作用是保證前后兩期施工混凝土的良好連接，水池施工縫的位置可設(shè)在底板與池壁連接斜托上部和池壁與頂板連接斜托的下部。

3.4 池壁、底板的受力鋼筋宜采用小直徑鋼筋和較密的間距，盡可能采用HRB335和RRB400級鋼筋。水池各部位的鋼筋間距應(yīng)在100-250mm范圍內(nèi)。如果鋼筋間距太密，會影響混凝土振搗，而鋼筋間距太大，容易產(chǎn)生裂縫。

2.5現(xiàn)澆鋼筋混凝土水池最容易在角隅處出現(xiàn)裂縫，因此必須在池壁轉(zhuǎn)角處、池壁與底板相交處設(shè)置“暗梁”、“暗柱”或設(shè)置腋角。敞口水池頂端也宜配置水平向加強(qiáng)鋼筋。根據(jù)規(guī)程第7.1.7條的規(guī)定要求，敞口水池在溫差或地基變形作用下池壁頂端是結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，宜設(shè)置暗梁，高度不得小于池壁厚度，內(nèi)外側(cè)各配置不小于3根16的受力水平鋼筋。

4.水池計(jì)算注意問題

4.1 水池的邊界條件。

4.1.1水池的分類：當(dāng)L/H>2時(shí)為淺池，當(dāng)L/H<0.5時(shí)為深池，當(dāng)0.5≤L/H≤2時(shí)為雙向板式水池.

4.1.2池體結(jié)構(gòu)一般由池壁、底板和頂蓋（是否封閉加蓋由工藝需要決定）所組成。合理的選擇結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和計(jì)算公式才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確、可靠。水池內(nèi)力分析計(jì)算時(shí)，盡量做到邊界條件的假定與實(shí)際情況相符。

4.1.3 敞口水池：水池頂板無約束時(shí)應(yīng)為自由，水池與地板或條形基礎(chǔ)連接時(shí)均可視池壁為固端支承。池壁頂端以走道板、工作平臺、連系梁等作為支承結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)支承結(jié)構(gòu)的橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為鉸支或彈性支承。

4.1.4 有蓋水池：當(dāng)頂板為預(yù)制裝配板擱置在池壁頂端而無其它連接措施時(shí)，頂板應(yīng)視為簡支于池壁，池壁頂端應(yīng)視為自由端；當(dāng)預(yù)制頂板與池壁有抗剪鋼筋連接時(shí)，該節(jié)點(diǎn)應(yīng)視為鉸支承；當(dāng)頂板與池壁為整體澆注并配有連續(xù)鋼筋時(shí)，該節(jié)點(diǎn)應(yīng)視為彈性固定；當(dāng)僅配有抗剪鋼筋時(shí)，該節(jié)點(diǎn)應(yīng)視為鉸支承。壁板與池底或條形基礎(chǔ)連接時(shí)，可視池壁為固端支承，對位于軟地基上的水池，應(yīng)考慮地基變形的影響，宜按彈性固定計(jì)算。當(dāng)池壁為雙向受力時(shí)，相鄰池壁間的連接應(yīng)視為彈性固定。

4.1.5比較敞口和有蓋水池壁板的邊界條件，設(shè)置頂蓋的池壁所承受的彎矩要小很多。因此當(dāng)采用頂蓋結(jié)構(gòu)有困難時(shí)，應(yīng)盡可能從池壁挑出走道板。走道板滿足規(guī)程要求時(shí)，可以假定為不動鉸支承。當(dāng)?shù)装逶O(shè)為固定支承時(shí)，底板（基礎(chǔ)）厚度可根據(jù)土質(zhì)情況取1.2～1.5倍池壁厚度，這是按照底板（基礎(chǔ)）剛度是池壁剛度的10倍左右，在一般情況下底板可起到固定作用。外挑的要求也同樣為了起固定作用。

5.2 荷載取值

5.2.1 池內(nèi)水壓力。池內(nèi)水壓應(yīng)該按池內(nèi)滿水最高水壓計(jì)算，這樣偏于安全。之所以不按給排水專業(yè)提的最高水位計(jì)算池內(nèi)水壓，是因?yàn)樗厥┕ね瓿珊笠M(jìn)行水池試水。試水時(shí)水池內(nèi)是滿水。另一方面，在日后的使用過程中，有可能工藝會進(jìn)行技術(shù)改造因而超過原水位設(shè)計(jì)標(biāo)高，這些都是應(yīng)該考慮的因素，進(jìn)而能使水池的設(shè)計(jì)滿足日后的各種需求。

5.2.2 池外土壓力。當(dāng)有覆土?xí)r，要按照池壁上方有附加荷載來計(jì)算池壁土壓力.

5.2.3 池外水浮力。當(dāng)?shù)叵滤粯?biāo)高在設(shè)計(jì)池底標(biāo)高之上時(shí)，就應(yīng)考慮地下水浮力的作用.同時(shí)，地下水對池體的浮托力絕對不容小視。由于地下水位未掌握好而引起結(jié)構(gòu)選型錯(cuò)誤及抗浮不夠等工程事故也時(shí)有發(fā)生。地質(zhì)勘察報(bào)告所提供的地下水位一般僅反映勘測期間的地下水位情況。如果詳勘在當(dāng)?shù)乜菟谶M(jìn)行，所提供的地下水位標(biāo)高將無法被設(shè)計(jì)取用，或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)計(jì)算的失誤。根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合地方水文資料，確定一個(gè)合適的地下水位標(biāo)高做設(shè)計(jì)地下水位，做到既保證使用階段結(jié)構(gòu)安全和不利情況抗浮安全，又能降低工程造。水池自重（包括土體及上部結(jié)構(gòu)自重，但不包括水自重）與水浮力的比值即抗浮抗力系數(shù)不應(yīng)小于1.05.當(dāng)抗浮系數(shù)小于1.05時(shí)，就應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施增加水池自重。

5.3 底板內(nèi)力計(jì)算模式的選擇

5.3.1對于池體容積小，短跨尺寸在6m以內(nèi)時(shí)，計(jì)算底板內(nèi)力可以按地基反力直線分布計(jì)算。一般情況下，直接作用于底板上的池內(nèi)水重和底板自重與它們引起的那部分地基反力直接抵消，而不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。只有由池壁和池頂、支柱作用在底板上的力所引起的地基反力才會使底板產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。

5.3.2 當(dāng)池底為軟土地基或板的跨度較大，根據(jù)上一種計(jì)算模式，不考慮彈性地基上的底板在荷載作用下的彈性變形，也不顧及地基土的彈性沉陷，底板跨中的最大彎矩等于簡支底板的跨中彎矩加上池墻荷載底端的