水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及問(wèn)題分析

【摘要】隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，人們和水的聯(lián)系越來(lái)越密切。市政給排水工程在城市建設(shè)中占據(jù)了重要的位置，而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了構(gòu)筑物的安全使用性能及其壽命。隨著建設(shè)單位對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化意識(shí)的提高，這就對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求。因此，本文主要對(duì)市政水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方法。

【關(guān)鍵詞】水池;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);特點(diǎn);分析

1、水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 池墻設(shè)計(jì)

池墻采用理正結(jié)構(gòu)工具箱進(jìn)行計(jì)算，按強(qiáng)度和裂縫的要求進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。池墻的水平向荷載包括：地下水壓，池外側(cè)土壓（包括地下水壓及地面活載影響）;垂直向荷載包括：池內(nèi)水重和池外土重。為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常按池內(nèi)水壓齊頂水壓計(jì)算?？紤]荷載的不利組合為：①池內(nèi)有水，池外無(wú)土;②池外有土，池內(nèi)無(wú)水。

當(dāng)四邊支承的壁板的長(zhǎng)度與高度之比大于2.0或三邊支承，頂端自由壁板的長(zhǎng)度與高度之比大于3.0時(shí)，其水平向應(yīng)該考慮角隅彎矩的影響。

1.2 底板設(shè)計(jì)

底板計(jì)算按彈性地基反力假定，分為單向受力底板和雙向受力底板，通常順單向或雙向截取截條，按單跨或多跨連續(xù)板進(jìn)行計(jì)算。單向受力底板計(jì)算簡(jiǎn)圖如下圖所示：

當(dāng)水池底板的長(zhǎng)短邊比L1/L2≤2時(shí)，需采用雙向受力底板進(jìn)行計(jì)算。以常見(jiàn)的污泥調(diào)理池為例，計(jì)算簡(jiǎn)圖如下：

C 雙向受力板計(jì)算簡(jiǎn)圖

1.3 抗震設(shè)計(jì)

水池結(jié)構(gòu)應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行地震作用計(jì)算。首先，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，再利用有限元軟件進(jìn)行抗震分析。一般結(jié)構(gòu)要驗(yàn)算水平方向的地震作用，即構(gòu)筑物的兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平地震作用。

地震效應(yīng)的基本組合，按下式計(jì)算：

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面抗震強(qiáng)度驗(yàn)算，應(yīng)按下式計(jì)算：

2、水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題分析

2.1 池墻頂部約束條件

問(wèn)題：當(dāng)池墻頂部存在走道板、工作平臺(tái)、連系梁等構(gòu)件時(shí)，未考慮其作為池墻的支撐約束條件導(dǎo)致池墻配筋增大。

原因分析：根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求，當(dāng)考慮池壁頂端的走道板、工作平臺(tái)作為池壁的支承構(gòu)件時(shí)，應(yīng)符合下列的要求：

a 板厚不宜小于20cm，并應(yīng)對(duì)其橫向受力進(jìn)行計(jì)算。

b 板作為池壁的彈性支承，其反力系數(shù)應(yīng)按下式確定：

式中 αr─彈性支承反力系數(shù);m─板的水平向計(jì)算跨度與池壁高度的比值;

HB─池壁高度;? b─池壁計(jì)算寬度，通常取b=1;

ng─板的橫截面慣性矩與池壁截面慣性矩的比值。

c當(dāng)符合下式要求時(shí)，走道板或工作平臺(tái)可以視為池壁的不動(dòng)鉸支承：

2.2 池墻與柱協(xié)同工作

問(wèn)題：某地下室外墻按三邊支撐，頂端自由的雙向板設(shè)計(jì)（例如送水泵房），框架柱作為支撐邊，承受的水平作用未考慮。

原因分析：地下室外墻作為雙向板模型計(jì)算時(shí)，應(yīng)復(fù)核作為地下室外墻側(cè)向支撐的地下室壁柱的截面及配筋，如果承載力明顯不滿足要求，則應(yīng)必須修改。

根據(jù)規(guī)范要求，三邊固定、頂端自由的雙向板，在均布荷載或三角形荷載作用下的邊緣反力，可按照下式進(jìn)行計(jì)算：

得到柱上的水平邊緣反力，再?gòu)?fù)核框架柱在此反力下的配筋大小。

2.3 池墻角隅彎矩

問(wèn)題：當(dāng)計(jì)算單向板受力懸臂端池墻時(shí)，忽視兩側(cè)水平端的角隅彎矩的存在，造成配筋偏小，結(jié)構(gòu)存在安全隱患。

原因分析：當(dāng)池墻作為單向受力板進(jìn)行計(jì)算時(shí)，模型中兩側(cè)水平段彎矩不計(jì)入，而實(shí)際會(huì)有角隅彎矩的存在，造成端部開(kāi)裂。

根據(jù)《水池》規(guī)程，當(dāng)四邊支承壁板的長(zhǎng)度與高度之比大于2.0或三邊支承、頂端自由壁板的長(zhǎng)度與高度之比大于3.0時(shí)，其水平向角隅處的局部負(fù)彎矩應(yīng)按下式計(jì)算：

2.4 水池抗浮設(shè)計(jì)

在實(shí)際工程中，造成水池上浮的事故時(shí)有發(fā)生。究其原因，主要是以下幾個(gè)方面：a 抗浮設(shè)計(jì)水位設(shè)置不合理;b 整體抗浮滿足但局部抗浮不滿足要求;c 施工過(guò)程中降水措施不到位。前兩個(gè)可以在設(shè)計(jì)階段予以考慮完善，最后一個(gè)可以在施工階段保持降水不間斷，并使地下水位始終處于池體底板以下解決。水池常用抗浮措施包括：增加水池底板的厚度、水池底板外挑、保證回填土質(zhì)量、增加覆蓋土量等增加水池自重的措施來(lái)提高水池的抗浮能力。

2.5 池墻鋼筋保護(hù)層厚度

問(wèn)題：某地勘報(bào)告中顯示地下水對(duì)混凝土具弱腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。在此場(chǎng)地新建一座后臭氧接觸池，池墻鋼筋保護(hù)層厚度取為35mm。

原因分析：根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，池墻外側(cè)及地面以下結(jié)構(gòu)環(huán)境類別為五類（弱腐蝕），池墻內(nèi)側(cè)為五類（強(qiáng)腐蝕）。池墻鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)不小于50 mm。

2.6 水池抗?jié)B抗凍

問(wèn)題：某大型半地上水池設(shè)計(jì)過(guò)程中，未考慮凍融循環(huán)及溫度應(yīng)力的影響，造成水池出現(xiàn)裂縫。

原因分析：大型露天水池需要全面考慮施工季節(jié)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，減少溫度應(yīng)力，且要科學(xué)添加化學(xué)添加劑，對(duì)其進(jìn)行抗?jié)B抗凍處理。

2.7 水池地基基礎(chǔ)

問(wèn)題1：樁身混凝土強(qiáng)度應(yīng)滿足樁的承載力設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)未驗(yàn)算樁身強(qiáng)度。（下轉(zhuǎn)76頁(yè)）

（上接74頁(yè)）

原因分析：未驗(yàn)算時(shí)，屬于設(shè)計(jì)深度不夠;明顯不能滿足要求時(shí)，按必須修改復(fù)核。

問(wèn)題2：當(dāng)樁周土層產(chǎn)生的沉降超過(guò)樁基的沉降時(shí)，在計(jì)算樁基承載力時(shí)應(yīng)計(jì)入樁側(cè)負(fù)摩阻力，考慮單樁豎向承載力特征值應(yīng)加入樁側(cè)負(fù)摩阻力作為檢測(cè)值。

原因分析：檢測(cè)值不必提高;計(jì)算單樁承載力特征值時(shí)，不考慮該土層;計(jì)算樁基承載力時(shí)，按樁側(cè)負(fù)摩阻力及其引起的下拉荷載扣除，詳見(jiàn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》第5.4.4條。

問(wèn)題3：設(shè)計(jì)未注明“處理地基上的建筑物應(yīng)在施工期間及使用期間進(jìn)行沉降觀測(cè)，直至沉降達(dá)到穩(wěn)定為止”。

原因分析：依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)處理技術(shù)規(guī)范》第10.2.7條，設(shè)計(jì)應(yīng)注明應(yīng)此條規(guī)定。

2.8 池墻裂縫

問(wèn)題：某強(qiáng)腐蝕環(huán)境類別中，裂縫寬度按0.20mm控制，池墻的受力鋼筋不宜小于12mm。

原因分析：根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第4.2.4條及4.2.7條規(guī)定，在設(shè)計(jì)工業(yè)園污水處理廠及地下水、土有腐蝕性的建（構(gòu)）筑物時(shí)，裂縫限值為0.15mm，鋼筋的最小直徑要求為16mm。

3、BIM技術(shù)運(yùn)用

BIM技術(shù)近年來(lái)在市政水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的運(yùn)用。設(shè)計(jì)人員通過(guò)三維信息模型，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不合理之處，不同專業(yè)互相矛盾的地方，能夠更好地服務(wù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全過(guò)程。

BIM技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)的信息化技術(shù)，原則上可以取代原有的設(shè)計(jì)、施工和項(xiàng)目管理以及運(yùn)維管理的各種軟件和工具，對(duì)項(xiàng)目的全過(guò)程生命周期產(chǎn)生巨大的價(jià)值。目前，BIM技術(shù)尚不能完全取代原有設(shè)計(jì)流程，但依據(jù)現(xiàn)有BIM技術(shù)，仍然可以提高水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率。

結(jié)語(yǔ)：

目前，市面上較多的設(shè)計(jì)軟件都可以對(duì)簡(jiǎn)單及復(fù)雜水池進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)使用不同的設(shè)計(jì)軟件對(duì)同一水池建立不同的模型，并分析不同結(jié)果的差異性，為水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更加經(jīng)濟(jì)、合理的方法和建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]CECS138：2002.給水排水工程鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[2]文大鵬.淺談市政建設(shè)中鋼筋混凝土水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[J].黑龍江科技信息，2016（26）.

[3]高國(guó)棟.水池構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在給排水工程中的要點(diǎn)探究[J].住宅與房地產(chǎn)，2017（24）.

作者簡(jiǎn)介：

蔣誠(chéng)（1988-），男，工程師，碩士，主要從事市政結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。