淺析鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)

1、淺析鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)要點(diǎn)王震（中煤第六十八工程處，山東省鄒城市，273500）摘要：依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范，淺析鋼筋混凝土水池的設(shè)計(jì)原則，并對(duì)設(shè)計(jì)中需要注意 的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：水池荷載及組合計(jì)算簡(jiǎn)圖構(gòu)造措施水池是工業(yè)與民用建筑中常用的構(gòu)筑物。在各種材料的水池中，鋼筋混凝土水池 因具有耐久性好、構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)底等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣，比較常見(jiàn)的有矩形水池和圓 形水池。矩形水池施工較方便，占地面積少，平面布置緊湊；圓形水池受力合理，可 采用預(yù)應(yīng)力混凝土。經(jīng)驗(yàn)表明，小型及較深的水池宜用矩形；200m3以上的中性水池 宜用圓形水池。本文以矩形水池為例，淺議一下鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的 事項(xiàng)。一

2、、荷載及其組合水池結(jié)構(gòu)上的荷載主要分為恒荷載和活荷載兩類。恒荷載包括結(jié)構(gòu)自重、土的豎 向壓力和側(cè)向壓力、水池內(nèi)盛水壓力等；活荷載包括水池頂板活荷載、地表或地下水 壓力（側(cè)壓力、浮托力）、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫（濕）度變化作用、地面堆積荷載等。頂板荷載池頂板作用的荷載由恒載及活載組成，恒載包括覆土荷載和頂板自重，上人水池 頂蓋活荷載標(biāo)準(zhǔn)值可取1.5 kN/ m2，準(zhǔn)永久值系數(shù)可取0.4。當(dāng)頂蓋有較重設(shè)備基礎(chǔ)時(shí)，可將設(shè)備基礎(chǔ)重量折算成活荷載布置于頂板上。當(dāng)頂 蓋有施工機(jī)械時(shí)，應(yīng)根據(jù)施工條件驗(yàn)算施工機(jī)械設(shè)備的荷載。池壁荷載池壁荷載主要是水平方向的水壓力和土壓力，包括：池內(nèi)水壓力、池外土壓力、 池外地下水壓力、

3、地面活荷載及溫度（濕度）作用產(chǎn)生的應(yīng)力。在施工過(guò)程中，水池四周有可能堆土或者有施工機(jī)械運(yùn)作。因此在計(jì)算水池荷載 時(shí)，根據(jù)過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)增加了池壁四周的地面堆積荷載作為可變荷載。地面活荷載對(duì)池壁有側(cè)向作用，所以當(dāng)水池半地下或者全地下水應(yīng)當(dāng)考慮地面活 荷載的作用。地面位于底板頂面之上時(shí)，4d 3 = % K上式中：qd3為池壁底部地面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/ m2），q2為地面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/ m2）,Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)。地面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值q2即地面堆積荷載可取10kN/ m2,其永久值系數(shù)可取0.5。池底荷載池底板作用的荷載包括：池內(nèi)水自重，水池頂板和壁板的重力荷載、底板頂面以 上（包括挑出部分）覆

4、土荷載及活荷載引起的基底反力。其他因素除了上述荷載的作用之外，溫度和濕度變化、地震作用等也會(huì)在水池結(jié)構(gòu)中引起 附加內(nèi)力，因此在水池設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)候應(yīng)該考慮到這些因素。當(dāng)溫度和濕度變化引起的混凝土的收縮或膨脹受到約束時(shí)，結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加的溫 度應(yīng)力和濕度應(yīng)力。這種應(yīng)力分以下兩種情況：一種是由于池內(nèi)水溫（濕）度與池外 氣溫或土溫（濕度）的不同而形成的壁面溫差（濕度差）。另一種是水池施工期間混 凝土澆筑完畢時(shí)的溫度與使用期間的最高或最低溫度之差，或者是水池尚未裝水或放 空一段時(shí)間后，池壁混凝土中面平均溫度或濕度的變化值。對(duì)水池具有破壞性的地震荷載主要是水平方向的地震慣性力。一般來(lái)說(shuō)，整體式 鋼筋混凝土水池

5、本身的抗震性能很好，因此在設(shè)計(jì)地震烈度為7度的地面式和地下式 水池，設(shè)計(jì)烈度為8度、平面長(zhǎng)寬比小于1.5、無(wú)變形縫的有頂蓋地下式鋼筋混凝土 矩形水池時(shí)，只需采取一定的抗震構(gòu)造措施，可不作抗震計(jì)算。設(shè)防烈度為9度區(qū)時(shí)， 應(yīng)計(jì)算豎向地震作用效應(yīng)，并應(yīng)與水平地震作用效應(yīng)按平方和開(kāi)方組合。荷載組合1）地下式水池：一般計(jì)算兩種工況，第一種工況為閉水試驗(yàn)，即池內(nèi)有水而池 外無(wú)回填土。第二種工況為池內(nèi)無(wú)水（如檢修期），而池外有土，同時(shí)還需考慮地面有 堆積荷載以及池外地下水壓力共同作用。2）地面式水池：第一種工況為閉水試驗(yàn)，即池內(nèi)有水和溫、濕度作用。第二種 工況為使用期，即池內(nèi)有水，池外有填土、地下水壓力和溫

6、、濕度作用。二、水池計(jì)算1）池壁與頂板對(duì)于敞口水池池壁和頂板為預(yù)制擱置且無(wú)連接措施時(shí)，池壁頂端視為自由端。當(dāng)預(yù)制板與池壁頂端設(shè)有抗剪鋼筋連接或池壁與頂板整體澆筑，僅配置抗剪 鋼筋時(shí)，連接應(yīng)視為鉸接。當(dāng)池壁與頂板整體澆筑，并配置連續(xù)鋼筋時(shí)，池壁與頂板節(jié)點(diǎn)應(yīng)視為彈性固 定，而當(dāng)池壁與頂板整澆，且池壁的線剛度與頂板線剛度比值大于5時(shí)，頂板相對(duì)于 池壁來(lái)說(shuō)可視為鉸接。2）池壁與底板當(dāng)池壁底端為獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，池壁底端可視為固定支承。對(duì)于非獨(dú)立基礎(chǔ)，當(dāng)滿足圖1中的關(guān)系，即a1h，a2h1，h1h時(shí)，池壁底端 也可視為固定支承。當(dāng)?shù)装遢^薄或挑出長(zhǎng)度較小，而地基較弱時(shí)，宜按彈性固定計(jì)算。池壁與池壁矩形水池相鄰壁

7、間的連接應(yīng)按彈性固定考慮。因此在計(jì)算相鄰池壁間的彎矩時(shí)要 進(jìn)行相鄰近的不平衡彎矩的分配。三、構(gòu)造要求3.1鋼筋的混凝土保護(hù)層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)要求lib環(huán)境類別下C30墻的混凝土 保護(hù)層最小厚度為25mm，梁柱為35mm。給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(CECS138： 2002)較之前對(duì)水 池的耐久性有更高要求，保護(hù)層厚度有所提高，最小保護(hù)層厚度取值與構(gòu)件類型和所 處環(huán)境有關(guān)，一般最小保護(hù)層厚度要求見(jiàn)下表1。表1構(gòu)件名稱工作條件保護(hù)層最小厚度板、殼與水、土接觸30與污水接觸35底板有墊層的下層筋40無(wú)墊層的下層筋70給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50

8、069-2002)對(duì)水池各個(gè)部位鋼筋混 凝土保護(hù)層最小厚度要求與上表1相同，不與水、土接觸或不受水氣影響的構(gòu)件，其 鋼筋的混凝土保護(hù)層最小厚度，應(yīng)按現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002) 的有關(guān)規(guī)定采用。地下工程防水技術(shù)規(guī)范(GB50108-2008)規(guī)定：迎水面鋼筋保護(hù)層厚度不應(yīng)小于50mm o因此，根據(jù)以上要求，地下混凝土清水池的池壁與土接觸的迎水面部位，鋼筋保 護(hù)層厚度宜取50mm，與水池池內(nèi)水接觸的部位保護(hù)層可取30mm。同時(shí)保護(hù)層厚度 不宜取值過(guò)大，以防保護(hù)層過(guò)厚混凝土產(chǎn)生裂縫。3.2裂縫大部分的池壁配筋都不是以強(qiáng)度來(lái)控制，而是以裂縫來(lái)控制。水池裂縫一般為豎 向裂縫，裂

9、縫有兩種：一種是貫穿性裂縫，由混凝土收縮引起的，地下工程防水技 術(shù)規(guī)范要求防水混凝土結(jié)構(gòu)裂縫不得貫通；另一種是出現(xiàn)于池壁外側(cè)的表面裂縫逐 步擴(kuò)展延伸到池壁構(gòu)件的全截面。水池裂縫計(jì)算時(shí)，由于潮濕環(huán)境下混凝土十縮較小， 其裂縫增大系數(shù)取值可以適當(dāng)減小。在選用鋼筋等級(jí)的時(shí)候，雖然受裂縫寬度限值的 限制，不能充分發(fā)揮其強(qiáng)度作用，但是由于1、11級(jí)鋼筋價(jià)格差別不是很大，而且II 級(jí)鋼筋比I級(jí)鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值大，鋼筋用量可減少20%，所以采用II級(jí)鋼筋在技術(shù)上 和經(jīng)濟(jì)上是比較合理的。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2002)規(guī)定環(huán)境類別二類時(shí)，鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)構(gòu)件裂縫控制等級(jí)為三級(jí)，最大裂縫寬度限值為0

10、.2mm。給水排水工程鋼筋混凝 土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程(CECS138： 2002)規(guī)定鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件中最大裂縫 寬度限值，清水池、給水水質(zhì)凈化處理構(gòu)筑物為0.25mm；污水處理構(gòu)筑物為0.2mm。 一般情況下，當(dāng)?shù)叵滤惠^淺或者有腐蝕性時(shí)，混凝土水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度 限值宜為0.2mm。3.3暗梁與暗柱現(xiàn)澆鋼筋混凝土水池最容易在角隅處出現(xiàn)裂縫，因此必須在池壁角隅處、池壁與 水池底板角隅處設(shè)置構(gòu)造梁柱，增強(qiáng)該部位的抗扭和抗裂性。敞開(kāi)式水池往往在池壁 頂部先開(kāi)裂，池壁頂端宜設(shè)置暗梁，高度不得小于池壁厚度，內(nèi)外兩側(cè)各配置不宜少 于316的受力水平鋼筋，以加強(qiáng)上口的抗裂性能；在池壁的轉(zhuǎn)角和

11、內(nèi)隔墻與外池 壁交接處也宜設(shè)置暗柱，以改善節(jié)點(diǎn)的受力效果和加強(qiáng)鋼筋的錨固及抗裂性能。如池 壁太長(zhǎng)，也可以每隔一段距離設(shè)置暗柱。3.4配筋構(gòu)造要求受力鋼筋宜采用直徑較小的鋼筋，間距宜為100 mm200 mm，內(nèi)、外各側(cè)受力 鋼筋和構(gòu)造鋼筋配筋率均不應(yīng)小于0.15%，受力鋼筋的配筋百分率宜控制在0.3% 0.8%的經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)。受力鋼筋的有效錨固長(zhǎng)度必須按GB50010鋼筋混凝土結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定采用。由于地面式矩形水池池壁對(duì)濕差和溫差的影響很敏感，因此為了避免池壁產(chǎn)生貫 穿性裂縫，池壁水平方向的最小構(gòu)造配筋率每側(cè)宜不小于0.15%.水池底板最小構(gòu)造配 筋率，對(duì)于無(wú)頂蓋的敞口水池，其頂板上

12、層鋼筋的最小構(gòu)造配筋率不宜小于0.15%， 其下層配筋及有頂蓋的水池池底板可取不小于0.1%.3.5溫濕差控制措施為了消除或控制溫度和濕差造成的不利影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了在建筑構(gòu)造上采取 隔熱、保溫、防滲等措施外，還采用“放松”或“抵抗”的措施。“放松”就是使結(jié) 構(gòu)(或構(gòu)件)不受或少受邊界約束，如設(shè)置伸縮縫，配置適量的構(gòu)造鋼筋；“抵抗” 就是當(dāng)結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件)不允許設(shè)置伸縮縫，或結(jié)構(gòu)本身的自約束造成較大的附加應(yīng)力 時(shí)，則需要通過(guò)計(jì)算來(lái)確定溫差和濕差造成的壓力。隨著新型建筑材料的研制成功，也可以采取增加添加劑的方法，如高效抗裂膨脹 劑等等，對(duì)混凝土的早期收縮有一定的抵抗作用。3.6降水措施一般地下式水池，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，應(yīng)采取有效地降水措施，使地下水位線保 持在施工線一下最低30cm處為宜，必須確?；炷翉?qiáng)度達(dá)到80%以上時(shí)，才可上升。四、結(jié)束語(yǔ)水池作為特種結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)有特殊性，但是也可簡(jiǎn)化成我們熟悉的工程模式進(jìn)行 設(shè)計(jì)。只有全面理解了水池各構(gòu)件的組成及聯(lián)系，才能更好的對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，以形成 較為正確的計(jì)算模式。同時(shí)，將工程實(shí)