鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)要點(diǎn)

蔡靖

摘要：鋼筋混凝土水池是市政工程中常用的儲(chǔ)水構(gòu)筑物，廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)公用設(shè)施和工業(yè)企業(yè)中的一般給水排水工程。隨著市政設(shè)施逐步完善，鋼筋混凝土水池的類型越來越多，受力情況越來越復(fù)雜，本文通過分析水池結(jié)構(gòu)的主要荷載以及內(nèi)力組成及結(jié)構(gòu)計(jì)算，提供水池結(jié)構(gòu)需注意的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，對(duì)鋼筋混凝土水池類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體的研討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);水池設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)要點(diǎn)

鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)該從多個(gè)方面考慮、不同工況出發(fā)，不僅需要考慮工藝流程對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用和影響，還要考慮到水池結(jié)構(gòu)完工投入生產(chǎn)使用后，受力情況發(fā)生的變化，綜合各種最不利工況，從強(qiáng)度、剛度和變形的角度，對(duì)水池結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，保證水池設(shè)計(jì)安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、質(zhì)量優(yōu)良。

一、水池結(jié)構(gòu)的主要荷載

作用在鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)上的荷載根據(jù)其受力性質(zhì)的不同，主要可以分為兩類，第一類為永久荷載作用，第二類為可變荷載作用。永久荷載作用包括以下幾個(gè)方面：結(jié)構(gòu)自重、池外土體產(chǎn)生的側(cè)向壓力及豎向壓力、池內(nèi)盛水產(chǎn)生的水壓力等;可變荷載作用包括：池頂部操作荷載、走道的活荷載、池壁面溫（濕）度變化作用、地面堆積荷載等。

暴露在大氣中的地上式水池（一般可根據(jù)水池壁板埋深來確定，當(dāng)水池壁板埋深小于池壁高度的一半時(shí)，可按地上式水池）或露天水池，應(yīng)考慮池壁的壁面溫（濕）差作用。地下式水池或設(shè)有保溫措施的有蓋水池，可不考慮壁面溫度、濕度變化作用。

二、水池結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合分析

在進(jìn)行水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先要考慮的是結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定計(jì)算，包括抗浮計(jì)算、抗滑移計(jì)算、抗傾覆計(jì)算等。一般來說，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，水池需考慮抗浮問題。在空池工況下，根據(jù)勘察單位提供的抗浮設(shè)計(jì)水位，計(jì)算水池依靠自重抵抗浮力作用。若抗浮系數(shù)不滿足要求，則需采取抗浮措施，比如增設(shè)抗拔樁、池頂覆土配重、增大池底板飛邊等。對(duì)于擋水墻式結(jié)構(gòu)體系，或水池設(shè)置通長伸縮縫時(shí)，需考慮水池在池內(nèi)水水平荷載作用下，整體抗滑移是否滿足。

其次，依據(jù)水池具體的結(jié)構(gòu)布置、工藝流程、地質(zhì)情況等，在對(duì)荷載以及內(nèi)力的組成情況進(jìn)行充分的了解和掌握后，選擇相應(yīng)的最不利內(nèi)力組合。水池一般存在三種內(nèi)力組合：試水工況時(shí)，池內(nèi)有水，池外無土，此時(shí)池壁承受池內(nèi)水產(chǎn)生的側(cè)向壓力;檢修工況時(shí)，池外有土，池內(nèi)空池?zé)o水，此時(shí)考慮池外水土對(duì)池壁產(chǎn)生的側(cè)壓力;正常使用時(shí)，需考慮池內(nèi)滿水，池外有土。對(duì)于多格水池，還需考慮池內(nèi)部分滿水，部分放空的情況。

水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件按作用效應(yīng)考慮不同工況的荷載組合，需計(jì)算以下兩種狀態(tài)，即按作用效應(yīng)的基本組合進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算，以及按作用效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形、裂縫計(jì)算。對(duì)于構(gòu)件處于軸心受拉或小偏心受拉時(shí)，還應(yīng)按作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行抗裂度驗(yàn)算。

三、水池結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算

（一）底板內(nèi)力計(jì)算

水池底板所承受的荷載主要包括兩方面，一方面為地基反力，一方面為地下水浮力。

當(dāng)?shù)装蹇缍容^?。ㄐ∮?.0米）時(shí)，地基反力可假定為按直線分布。一般可認(rèn)為底板簡支于與其相交的池壁板，同時(shí)在池壁側(cè)面荷載的作用下，池壁的底端彎矩將傳遞給底板。池底板根據(jù)水池每格的長寬比進(jìn)行劃分，一般可劃分為單向受力底板（單格水池的長短邊比L1/L2>2）和雙向受力底板（單格水池的長短邊之比L1/L2≤2），計(jì)算時(shí)可相應(yīng)按照單向截取截條、雙向截取截條來進(jìn)行計(jì)算，單跨水池采用單跨連續(xù)板、多跨水池采用多跨連續(xù)板。單向受力底板計(jì)算，需考慮水池放空的不利影響，但不考慮多格池均滿水的情況。對(duì)于雙向受力底板計(jì)算，作用于底板上的荷載，需沿x和y方向進(jìn)行分配，以作為各截條上的荷載。各向分配荷載按下式計(jì)算：

qx=xq

qy=（1-x）q=q-qx ，其中，x的取值與板的長寬比有關(guān)。

底板受力計(jì)算需同時(shí)考慮最不利盛水組合。

當(dāng)?shù)装蹇缍容^大，采用直線假定分布已不適用時(shí)，可按彈性地基上的底板計(jì)算。對(duì)于荷載沿底板長度方向均勻分布的長條板，計(jì)算方法為順底板的橫向截取單位寬平面變形截條計(jì)算。

（二）池壁內(nèi)力計(jì)算

在計(jì)算池壁內(nèi)力的過程中，首先確定池壁板的邊界條件。一般池壁與池壁、池壁與底板相交處，可考慮為壁板的固定端;池壁與頂板相交處，可考慮為壁板的簡支端，當(dāng)池頂無頂板時(shí)，為自由端。當(dāng)壁板的長度及高度的比值在0.5-3之間時(shí)，可按雙向板計(jì)算。

當(dāng)池壁壁板為四邊支承，但其長度與高度的比值大于2.0;或三邊支承，但其長度與高度的比值大于3.0時(shí)，還需要考慮壁板水平向角隅處的局部負(fù)彎矩。

四、水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的注意問題

鋼筋混凝土水池需采用抗?jié)B混凝土，即充分考慮混凝土本身所具有的密實(shí)性，采用混凝土自防水，以此來滿足池體的抗?jié)B要求。

混凝土裂縫對(duì)水池影響較大，應(yīng)嚴(yán)格控制裂縫不超出規(guī)范限值。初期的預(yù)防措施為：施工做好混凝土的早期養(yǎng)護(hù)工作，這樣能夠有效地控制構(gòu)件的濕度，從而盡量降低混凝土收縮的概率，防止因?yàn)閮?nèi)部約束導(dǎo)致開裂的情況發(fā)生。

五、水池裂縫成因分析及處理方法

當(dāng)混凝土存在拉應(yīng)力時(shí)，因其抗拉強(qiáng)度較低，這種情況下就容易產(chǎn)生裂縫。鋼筋混凝土水池裂縫可分為兩種，即非結(jié)構(gòu)性裂縫及結(jié)構(gòu)性裂縫。

當(dāng)裂縫寬度能夠保持在限值范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)可以正常使用，不存在安全性問題時(shí)，此類裂縫可認(rèn)為是非結(jié)構(gòu)性裂縫。考慮到結(jié)構(gòu)耐久性，可采取相應(yīng)的修補(bǔ)措施。

當(dāng)裂縫寬度超出了規(guī)范限值，或結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性存在問題時(shí)，此類裂縫可認(rèn)為是破壞性裂縫。

（一）非結(jié)構(gòu)性裂縫成因及控制

此類裂縫是由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部自身的應(yīng)力所導(dǎo)致。在混凝土的澆筑過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面溫度較低，內(nèi)脹外縮，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而形成溫度裂縫。同理，當(dāng)使用期水池池壁內(nèi)外側(cè)存在溫（濕）差時(shí)，由于混凝土的熱脹冷縮，亦會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力形成裂縫。

為有效控制此類裂縫的形成及發(fā)展，在施工期間應(yīng)采用合理的混凝土配合比，把握外界溫度不宜過高或過低。對(duì)于超長型水池，可通過設(shè)置后澆帶、現(xiàn)澆加強(qiáng)帶、伸縮縫、施加預(yù)應(yīng)力等措施，減少非結(jié)構(gòu)性裂縫的發(fā)生。

（二）結(jié)構(gòu)性裂縫成因及控制

在荷載作用下，如果水池結(jié)構(gòu)不具有足夠的承載力、構(gòu)造措施不滿足要求或施工質(zhì)量差等，可能引起結(jié)構(gòu)較大的變形，以及形成結(jié)構(gòu)性裂縫。此類裂縫潛藏著結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性，也是破壞開始的征兆，需要根據(jù)裂縫的形式及原因，采取相應(yīng)的加固補(bǔ)強(qiáng)措施。

為避免此類裂縫，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮水池可能存在的各種最不利組合工況，并根據(jù)受力的基本組合和準(zhǔn)永久組合、標(biāo)準(zhǔn)組合，分別計(jì)算構(gòu)件的強(qiáng)度、變形和裂縫、抗裂度等。

六、鋼筋混凝土水池分類

鋼筋混凝土水池可以采用多種方式進(jìn)行劃分：根據(jù)結(jié)構(gòu)的平面布置，可分為矩形水池、圓形水池等;根據(jù)水池的實(shí)際用途，可分為蓄水池、水處理水池等。在這其中，有較大部分的水池是地下式或半地下式，這時(shí)候池外壁所承受的土壓力能夠?qū)⒊乇趦?nèi)所承受的水壓力進(jìn)行一定的平衡，使水池結(jié)構(gòu)處于較小的受力狀態(tài)，但是，仍需按照荷載可能存在的最不利組合，控制構(gòu)件的強(qiáng)度和裂縫。

結(jié)束語：

綜上所述，鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)及市政基建中，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該嚴(yán)格把握水池設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，包括荷載的分類及計(jì)算、溫（濕）度考慮、受力分析、裂縫控制等，作為整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，以確保設(shè)計(jì)出具有較高可靠性以及實(shí)用性的鋼筋混凝土水池。

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