鋼筋混凝土矩形水池結構設計探討

摘要：鋼筋混凝土矩形水池作為常見的特種結構類型，被廣范應用于工業(yè)與民用建筑的給水、污水、消防工程中。設計時，先要進行各種不同的荷載組合，其次要進行強度計算、抗裂度和裂縫寬度驗算等。只有這樣才能保證水池結構設計的技 術與經濟合理性。

關鍵詞：鋼筋混凝土；水池結構；結構設計

一、水池結構的設計

1.結構設計應符合的規(guī)定

各種結構類別、形式的水池均應進行強度驗算。根據(jù)荷載條件、工程地質條件和水文地質條件，決定是否驗算結構的穩(wěn)定性。鋼筋混凝土水池應進行抗裂度或裂縫寬度的驗算。在荷載作用下，構件截面為軸心受拉或小偏心受拉的受力狀態(tài)時，應進行抗裂度驗算，在使用階段荷載作用下，構件截面為受彎、大偏心受壓或大偏心受拉的受力狀態(tài)時，應進行裂縫寬度的驗算。預應力混凝土水池還應進行抗裂度驗算。

2.荷載及荷載組合

（1）各種荷載。

水壓：現(xiàn)在習慣上將水池按滿水來計算水壓，這是因為：一方面很可能存在誤操作而造成滿池；另一方面今后工藝上有可能挖潛而超過原設計水位；土壓力：池外有填土的水池，土對池壁的側壓力通常用朗肯理論計算土的主動壓力；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，設計時應予以重視，為了抵消地下水對底板的影響，在用無梁板作為底板時，其最經濟有效的辦法是以池底浮土來平衡，而采用增加結構自重的方法是不經濟的，當?shù)叵滤坏陀诔氐锥豢紤]地下水壓時，需采取措施排除地表滯水；溫、濕度荷載：由于環(huán)境的影響，造成結構物產生溫度或濕度的變化，從而引起結構物體積變化，當這種體積變化受到約束時，就會產生應力。

（2）荷載組合。

①水壓+ 自重。這是水池結構設計的基本組合。

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，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，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，當有地下水時還應包括地下水壓，這種組合是水池荷載的基本組合之一，當水池建成后運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，池壁的荷載應取上述四種組合的最不利情況求得內力。b.有覆土的水池，可不考慮② 和③ 兩種組合。

3.水池的構造要求

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.當鋼筋混凝土水池采用構造底板時，底板厚度不應小于120mm，底板頂面應配置構造鋼筋，配筋量不宜小于每米5根直徑8mm的鋼筋。

3.2水池的最小保護層厚度應滿足給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規(guī)程要求。

3.3鋼筋混凝土水池長度大于30m（室內或土中）或20m（露天）便需要設伸縮縫，縫寬20mm～30mm.伸縮縫應做成貫通式，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在100-250mm范圍內。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，因此必須在池壁轉角處、池壁與底板相交處設置“暗梁”、“暗柱”或設置腋角。敞口水池頂端也宜配置水平向加強鋼筋。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構的薄弱點，宜設置暗梁，高度不得小于池壁厚度，內外側各配置不小于3根16的受力水平鋼筋。

4.水池計算注意問題

4.1 水池的邊界條件。

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

4.1.2池體結構一般由池壁、底板和頂蓋（是否封閉加蓋由工藝需要決定）所組成。合理的選擇結構計算簡圖和計算公式才能保證結構設計的準確、可靠。水池內力分析計算時，盡量做到邊界條件的假定與實際情況相符。

4.1.3 敞口水池：水池頂板無約束時應為自由，水池與地板或條形基礎連接時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構時，應根據(jù)支承結構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：當頂板為預制裝配板擱置在池壁頂端而無其它連接措施時，頂板應視為簡支于池壁，池壁頂端應視為自由端；當預制頂板與池壁有抗剪鋼筋連接時，該節(jié)點應視為鉸支承；當頂板與池壁為整體澆注并配有連續(xù)鋼筋時，該節(jié)點應視為彈性固定；當僅配有抗剪鋼筋時，該節(jié)點應視為鉸支承。壁板與池底或條形基礎連接時，可視池壁為固端支承，對位于軟地基上的水池，應考慮地基變形的影響，宜按彈性固定計算。當池壁為雙向受力時，相鄰池壁間的連接應視為彈性固定。

4.1.5比較敞口和有蓋水池壁板的邊界條件，設置頂蓋的池壁所承受的彎矩要小很多。因此當采用頂蓋結構有困難時，應盡可能從池壁挑出走道板。走道板滿足規(guī)程要求時，可以假定為不動鉸支承。當?shù)装逶O為固定支承時，底板（基礎）厚度可根據(jù)土質情況取1.2～1.5倍池壁厚度，這是按照底板（基礎）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 池內水壓力。池內水壓應該按池內滿水最高水壓計算，這樣偏于安全。之所以不按給排水專業(yè)提的最高水位計算池內水壓，是因為水池施工完成后要進行水池試水。試水時水池內是滿水。另一方面，在日后的使用過程中，有可能工藝會進行技術改造因而超過原水位設計標高，這些都是應該考慮的因素，進而能使水池的設計滿足日后的各種需求。

5.2.2 池外土壓力。當有覆土時，要按照池壁上方有附加荷載來計算池壁土壓力.

5.2.3 池外水浮力。當?shù)叵滤粯烁咴谠O計池底標高之上時，就應考慮地下水浮力的作用.同時，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構選型錯誤及抗浮不夠等工程事故也時有發(fā)生。地質勘察報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?shù)乜菟谶M行，所提供的地下水位標高將無法被設計取用，或導致結構計算的失誤。根據(jù)實際情況，結合地方水文資料，確定一個合適的地下水位標高做設計地下水位，做到既保證使用階段結構安全和不利情況抗浮安全，又能降低工程造。水池自重（包括土體及上部結構自重，但不包括水自重）與水浮力的比值即抗浮抗力系數(shù)不應小于1.05.當抗浮系數(shù)小于1.05時，就應當采取相應措施增加水池自重。

5.3 底板內力計算模式的選擇

5.3.1對于池體容積小，短跨尺寸在6m以內時，計算底板內力可以按地基反力直線分布計算。一般情況下，直接作用于底板上的池內水重和底板自重與它們引起的那部分地基反力直接抵消，而不產生彎曲應力。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生彎曲應力。

5.3.2 當池底為軟土地基或板的跨度較大，根據(jù)上一種計算模式，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固端彎矩。按以上彎矩進行配筋，底板上表面的配筋很大，下表面為構造配筋。有時底板上表面的配筋往往達到讓人無法接受的程度。而工程實際的情況，底板下表面內力大，配筋應該多，上表面除在縱墻附近處可為構造配筋。因此，對于上述情況設計時，應采取單位截條，將水池內外池壁作為集中力按彈性地基梁進行內力分析。

6.4 截面設計的關鍵性問題

（1）強度設計的安全系數(shù)。

①水池頂蓋強度設計的附加安全系數(shù)。頂蓋所承受的荷載是自重、覆土重、活載等，其中自重和覆土重所占比例最大。由于土的容重隨密度和含水量而變，其變異性較大，因此，附加安全系數(shù)取1.0 是合適的。

②池壁強度設計的附加安全系數(shù)。池壁主要承受土壓和水壓，水深一般取滿池計算，水的容重差別極小。土壓強度一般用朗肯主動土壓力理論，是略偏大的。從而說明池壁荷載的取值一般是高限，且變異性很小，因此，附加安全系數(shù)取0.9，即能滿足結構設計要求。

③底板強度設計的附加系數(shù)。池底實際上是與地基共同工作的，一般情況下計算水壓及均布荷載均偏大。底板強度設計的附加安全系數(shù)取0.9，即能滿足結構設計要求。

（2）關于裂縫問題的探討。根據(jù)對已建成水池所作的調查。水池裂縫一般為豎向裂縫。這些裂縫有兩種：一是貫穿性裂縫，由混凝土收縮引起的；二是出現(xiàn)于池壁外側的表面裂縫，其逐步擴伸至全截面。另外在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，所有的外挑現(xiàn)澆走道板都產生嚴重裂縫，并隨之擴展到池壁，因此，有必要考慮到預制裝配式走道板，或作現(xiàn)澆走道板，每隔3m～4m 設伸縮縫一道。

（3）構造配筋。水池池壁的構造配筋，宜按矩形和圓形水池加以區(qū)分。對于地面式矩形水池池壁，因對濕差和溫差的影響甚為敏感，為避免產生貫穿裂縫，池壁水平向的最小構造配筋率每側不小于0.15%為宜。對于無頂蓋的水池往往在池壁頂部先開裂，宜在頂部每側放置不小于3根Φ16 的水平向鋼筋。對于圓形水池池壁的環(huán)向最小構造配筋率，其外側的最小構造配筋率不宜小于0.35%，內側不宜小于0.15 %，對于外池有覆土的水池池壁，其內、外側宜對稱配置，但全截面總配筋率不宜小于0.3%。水池底板最小構造配筋率，對于無頂蓋的敞口水池，其底板上層鋼筋的最小構造配筋率不宜小于0.15%，其下層配筋率及有頂蓋的水池底板配筋率不小于0.1%。

（4）經濟配筋率。對于矩形水池，當上端自由，下端固定的豎向截面池壁時，其最大配筋率在0.8 %左右尚屬經濟。其他矩形水池的池壁，某一界面的最大配筋率可達到1.0 %左右亦屬經濟范圍。

二、水池結構的施工

1 水池底板施工要點

（1）混凝土墊層（基礎）澆筑前，應檢查地基土質是否與設計資料相符合，如有不同，則應該針對不同情況加以處理，然后再澆筑混凝土墊層。

（2）混凝土墊層在澆筑完畢后的1 d～2 d（視施工時的溫度而定），在墊層面測定底板中心，然后根據(jù)設計尺寸進行放線，定出柱基及底板的邊線，畫出鋼筋分布線，依線鋪放綁扎鋼筋，接著安裝柱基和底板外模板。

（3）鋼筋綁扎時，應詳細檢查鋼筋直徑、間距、位置、搭接長度、上下層鋼筋的間距、保護層及預埋件的位置和數(shù)量，均應符合設計要求。上下層的鋼筋要用鐵撐（馬凳）加以固定，防止在澆筑混凝土時發(fā)生變位。

（4）柱基模板是懸空架設，下面用臨時小方木撐在墊層上，邊澆混凝土邊取出小方木。

（5）底板應一次連續(xù)澆筑完，不留施工縫。施工間歇時間不得超過混凝土的初凝時間。平板厚度在20cm以內可用平板振動器，厚度較厚時，則采用插入式振動器。

（6）池壁為現(xiàn)澆混凝土時，底板與池壁連接處的施工縫可留在基礎上口20 cm 處，如設計要求有止水鋼板，在澆搗混凝土前，應將止水鋼板安放固定。

（7）混凝土澆筑完畢后，其強度尚未達到1.2 MPa 時，禁止振動，不得在底板上搭設腳手架，安放模板或搬運工具，并注意對混凝土的養(yǎng)護。

（8）遇特殊情況需留施工縫時，應做成垂直的結合面，并注意結合面附近混凝土的密實。

2.混凝土澆筑

水池混凝土一般可采用分節(jié)澆筑和連續(xù)澆筑。池壁分節(jié)澆筑的順序：基礎底板→池壁→環(huán)梁→頂蓋。池壁連續(xù)澆筑的順序：基礎底板→池壁→環(huán)梁及頂蓋。

3.防水層施工

水池內防水層施工按水塔內防水層施工進行。水池外壁一般噴涂瀝青防水層。用作防水層的瀝青必須符合規(guī)定標準，施工前應檢查是否合格。施工前應將池外壁洗刷干凈，先涂冷底子油，然后涂熱瀝青兩道。

參考文獻：

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[2] 張靖靜.水池結構設計概要分析[J].山西建筑，2005，31