水池結構設計經(jīng)驗分享和困惑探討

陳海濤，戴國華

（1.南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司，江蘇 210036；2.中電環(huán)保股份有限公司，江蘇 211102）

水池按照相對地面的關系可分地下式、半地下式、地上式、架空式；按照形狀可分為矩形水池、圓形水池、不規(guī)則水池；按照有無頂板分為敞口水池、有蓋水池、無梁板式水池；按照池壁長度和高度的比值可分為深水池、淺水池、雙向水池；按照配筋形式可分為普通混凝土水池、預應力混凝土水池等等。但不管怎樣，水池設計的思路和過程基本一樣，涉及到材料、作用及作用效應組合、靜力計算、抗裂及裂縫寬度驗算、抗浮及穩(wěn)定驗算、滿足構造要求等。水池存在于各行各業(yè)中，尤其市政、電力、冶金、化工、水泥等各行業(yè)都有專門的水池結構設計規(guī)范。筆者曾從事過上述好幾個行業(yè)，在水池結構設計中積累一些經(jīng)驗，和各位一并分享，同時也遇到了一些困惑，和各位同仁共同探討。

1 水池結構設計經(jīng)驗分享

首先，需要結合地質(zhì)資料、池子大小、功能要求、池體形式確定抗浮水位、防腐等級及措施、底板厚度、池壁厚度、頂板厚度、底板懸挑長度、梁、柱、護壁等布置，按照池內(nèi)有水、池外無土，池內(nèi)無水、池外有土的原則，取各工況最不利組合計算配筋及裂縫，反復調(diào)整上述數(shù)值，直至相對經(jīng)濟、滿足規(guī)范要求；其次將各提資專業(yè)提出的埋件、孔洞、套管等落實到模板圖上；最后再結合一些構造加強措施、結構總說明等形成完整結構圖。通常設計者利用相關計算軟件，輸入模型進行結構計算；亦可以結合《鋼筋混凝土水池設計計算手冊》、《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規(guī)程》、《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規(guī)范》等資料手算，整理編輯即可。

上述是常規(guī)的設計流程，筆者通過大量的工程實踐，得出一些設計經(jīng)驗，在此拋磚引玉：

（1）抗浮水位的確定。目前規(guī)范尚無明確的抗浮水位規(guī)定，如地下水位常年較高處，我們設計時通常取設計地面以下0.5m，豐水季節(jié)水位高時，浮力按地下水位最低值和最高值的比例打折，且抗浮水位不大于設計地面以下1m。

（2）配筋。水池壁厚度不大于200mm時，地上水池和埋深不大于2m的地下水池，池壁中間可以只配置一道鋼筋。

（3）底板懸挑。并不是所有的水池都要求底板懸挑，只有當?shù)装遄鳛槌乇诘那豆潭嘶蛘咚卣w抗浮不夠時增加土的壓重才設置。

（4）池壁加腋。池壁拐角處應力集中，設置池壁加腋主要是改善其受力狀態(tài)。

（5）扶壁。敞口水池池壁高度大于7m時才考慮設置扶壁，必要時可以增加肋梁，用來加強剛度和平面外穩(wěn)定性及改變力的傳導方式；5～7m時一般考慮變截面設置，壁厚取池壁高度1/15～1/10。

（6）最大裂縫寬度。水工和混凝土結構設計規(guī)范中，最大裂縫寬度是根據(jù)環(huán)境類別確定，石油化工水池設計規(guī)范通常是根據(jù)防水等級確定。

（7）防腐措施及保護層厚度。水池外壁，底板外側等，根據(jù)水和土分別對砼和鋼筋的腐蝕等級采取相應的防腐措施和保護層厚度，池內(nèi)則根據(jù)工藝提資的介質(zhì)腐蝕等級采取相應的防腐措施和保護層厚度，均不得小于規(guī)范最低要求。

（8）配筋率。通常底板和池壁的負彎矩較大，從而拐角處的配筋很大，裂縫過大，在滿足裂縫寬度的前提下，截面承載力足夠，此時大都按照最小配筋率配置鋼筋。

（9）局部抗浮。通常我們做水池時，直接驗算整體抗浮，當水池內(nèi)有支承結構時（例如內(nèi)有立柱），因浮力分布不均勻，局部浮力比較大，導致單獨的支承結構軸向上移，從而造成底板和頂板開裂，故需要驗算局部抗浮。

2 水池結構設計困惑探討

（1）受力鋼筋最小配筋率。《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2015 8.5.1規(guī)定，受彎結構構件的縱向鋼筋最小配筋率取0.20和45ft/fy的較大值，注5說明了受彎構件、大偏心受拉構件一側受拉鋼筋的配筋率應按全截面面積扣除受壓翼緣面積（b′f-b）h′f后的截面面積計算；但《水工混凝土結構設計規(guī)范》SL 191-2008第9.5.1規(guī)定，受彎構件、偏心受拉構件的受拉鋼筋最小配筋率與鋼筋的種類還有構件種類有關，梁的最小配筋率當鋼筋種類為HPB235級時，最小配筋率為0.25，當鋼筋種類為HRB335級、HRB400級、RRB400級時，最小配筋率為0.20，構件按板計算時，最小配筋率相應減小0.05，注1說明了配筋率是指鋼筋截面面積與構件肋寬乘以有效高度的混凝土截面面積的比值；《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規(guī)范》SH/T 3132-2013表9.1.5-1規(guī)定，受彎構件每一側的受拉鋼筋最小配筋率取0.25和45ft/fy的較大值，受彎構件并未說明是全截面還是有效截面，遇到此類問題，我們該如何取值呢？

（2）構造鋼筋?！督o水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規(guī)程》CECS 3138 第7.1.10規(guī)定：截面厚度不大于50cm時，其里、外側構造鋼筋的配筋百分率均不應小于0.15%，截面厚度大于50cm時，其里、外側均可按截面厚度50CM配置0.15%構造鋼筋；《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規(guī)范》SH/T 3132-2013第9.1.5-（e）當采用構造配筋時，其內(nèi)、外側構造配筋的配筋率均不宜小于0.15%。雖然就不應和不宜的區(qū)別，作為總承包單位需要節(jié)約成本會有所突破，但審圖機構往往從嚴要求。

（3）拐角交界處的加強。水池池壁與池壁、池壁與底板拐角交界處，往往存在應力集中，而通過加腋來減小裂縫寬度，同時額外增加構造加強筋。通常池壁的豎向配筋要錨入底板，池壁內(nèi)外側再額外增加負筋，比如底板處的受力配筋是φ16@200，此時四角的加強鋼筋可以是4φ18，也可能是4φ20、4φ22、4φ25等，此處這個加強筋，規(guī)范缺少確切的適用范圍及定量描述。至于加腋的高度，只規(guī)定最小150mm，以及不小于池壁厚度的一半等，與受力大小缺少必要的聯(lián)系。

（4）池壁連梁。敞口水池當池壁頂端有走道板，板厚不小于200mm，寬厚比不大于5，其橫向水平支撐構件（板或梁）的間距與池壁計算高度的比值小于2，且走道板滿足橫向受力要求和構造要求時，走道板可作為池壁的彈性固定支撐或不動鉸支撐，此時各構件受力較為明確，但當沒有走道板卻加設橫向連梁，我們在計算時基本是將池壁作為懸臂構件，忽略連梁的存在，誤以為屬于附屬加強措施。地下式水池，連梁通常承受主動土壓力引起的軸向壓力，由于梁剛度遠小于池壁剛度，池壁可視為梁的固定支座，但我們往往忽略梁的變形反作用于池壁的內(nèi)力，導致交界處出現(xiàn)裂縫，同樣地上式和半地上式水池，水壓力及相關的水平力組合作用除會引起上述破壞外，還會漏算其引起的拉力導致連梁開裂。敞口水池池壁之間有拉梁的情況，我們在設計時，除梁水平加腋、豎向加腋外，梁兩邊的池壁內(nèi)外側是否也需要增加鋼筋，增加多少、范圍如何確定？亦或在池壁上做牛腿，將砼梁或鋼梁簡支于其上，才是相對經(jīng)濟的方案？

（5）局部抗浮。防水底板厚度的確定，首先要滿足上部結構和浮力等作用下的承載力和變形要求，局部抗浮主要是防水底板在水浮力作用下發(fā)生較大裂縫或變形，向上撓度及裂縫過大，需要通過將防水底板做厚、鋼筋配足，以及設置平衡層或者錨桿、打樁等措施滿足局部抗浮。所有的這些，對整體抗浮都是有利的。然而設計手冊、各相關教材無一例外都是先驗算整體抗浮，不夠再去調(diào)整，諸如增加池底板懸挑長度，增加構件厚度、增加配重，抗浮樁等。局部抗浮不夠同樣需要采取上述措施，那我們的設計過程是不是應該顛倒一下才更好呢？

3 結 語

水池設計，除了滿足通用的設計、構造手冊，還要滿足各行業(yè)的特殊要求；水池的構造加強筋及腋角不納入計算模型，數(shù)值完全由設計者根據(jù)經(jīng)驗確定。由此可見，設計一個安全、經(jīng)濟、合理的水池并不是簡單的事情，需要我們不斷學習、積累相關知識。