浅议钢筋混凝土矩形水池结构设计要点

浅议钢筋混凝土矩形水池结构设计要点

【摘 要】经过钢筋混凝土矩形水池的设计。针对钢筋混凝土矩形水池结构的特点，从设计方面就水池结构的关键技术措施及方法进行了介绍，探讨保证水池结构设计技术的经济合理有效进行的方法。

【关键词】水池结构；设计；施工

钢筋混凝土矩形水池作为特种结构，被广范应用于工业建筑的给水、消防、排污工程中。由工艺专业提供不同用途的水池条件，土建投资所占总投资比例较大，因此水池的结构设计的技术与经济合理性尤为重要。

钢筋混凝土矩形水池（以下简称水池）池体结构一般由池壁、底板和顶盖（是否封闭加盖由工艺需要决定）所组成。水池的结构形式中，整体式无梁顶盖和无粱底板应用较广。其次，装配式梁板结构。工程实践表明，对有覆土的水池顶盖，整体式无梁顶盖的造价和材料用量都比一般梁板体系为低。在水池结构设计中优先采用全现浇混凝土结构。

水池结构设计结构方案，应住满足工艺要求的前提下，做到布局合理、受力明确以及安全、经济和实用。场地应选在地基稳定、土质均匀的地区，避免大量挖填土方以及地基处理。结构选型不宜过大，平面尺寸尽量控制在不需设置变形缝的间距范刚内。

水池结构的设计也有其特定的技术要求，如防腐抗渗等。设计时，先要进行各种不同的荷载组合，其次要进行强度计算、抗裂度和裂缝宽度验算等。只有这样才能保证水池结构设计的技术与经济合理性。

1 结构设计应符合的规定

各种结构类别、形式的水池均应进行强度验算。根据荷载条件、工程地质条件和水文地质条件，决定是否验算结构的稳定性。钢筋混凝土水池应进行抗裂度或裂缝宽度的验算。在荷载作用下，构件截面为轴心受拉或小偏心受拉的受力状态时，应进行抗裂度验算，在使用阶段荷载作用下，构件截面为受弯、大偏心受压或大偏心受拉的受力状态时，应进行裂缝宽度的验算。预应力混凝土水池还应进行抗裂度验算。

2 荷载及荷载组合

2.1 各种荷载

（1）水压。这里指池内水压，是水池的主要荷载之一。现在习惯上将水池按满水来计算水压。这是因为：一方面很可能存在误操作而造成满池：另一方面今后工艺上有可能挖潜而超过原设计水位。

（2）土压力。池外有填土的水池，土对池壁的侧压力通常用朗肯理论计算土的主动压力。但土的侧压力变化因素很多，如同填土的密实度、粘结力、内摩擦角等。实践证明，用朗肯理论计算主动土压力偏于安全。

（3）地下水压力。地下水压对水池底板的托浮力是威胁水池底板安全的一种主要荷载，设计时应予以重视。为了抵消地下水对底板的影响，在用无梁板作为底板时，其最经济有效的办法是以池底浮土来平衡，而采用增加结构自重的方法是不经济的。考虑可能出现的最高地下水位，一般设计均取用水文资料的最高地下水位。当地下水位低于池底而不考虑地下水压时，需采取措施排除地表滞水。

（4）温、湿度荷载。由于环境的影响，造成结构物产生温度或湿度的变化，从而引起结构物体积变化，当这种体积变化受到约束时，就会产生应力。通常将温度差及湿度差称之为温、湿度荷载。

2.2 荷载组合

（1）水压+自重。这是水池结构设计的基本组合。

（2）水压+自重+冬季温差。综合温差、湿差和水压的共同作用，当壁面冬季温差的绝对值大于夏季壁面湿差（化为等效温差）的绝对值时，这种情况是最不利的组合。

（3）水压+自重+湿差。综合温差、湿差和水压的共同作用，当夏季壁面湿差（化为等效温差）的绝对值大于冬季壁面温差的绝对值时，这种情况是最不利的组合。

（4）土压+自重。这是指池外有覆土的水池，当有地下水时还应包括地下水压，这种组合是水池荷载的基本组合之一，当水池建成后运营前以及水池放空期间均属此种荷载组合情况。

根据上述几种情况，可归纳为如下两类：a.无覆土的水池，池壁的荷载应取上述四种组合的最不利情况求得内力。b.有覆土的水池，可不考虑②和③两种组合。

3 截面设计的关键性问题

3.1 强度设计的安全系数

（1）水池顶盖强度设计的附加安全系数。顶盖所承受的荷载是自重、覆土重、活载等，其中自重和覆土重所占比例最大。由于土的容重随密度和含水量而变，其变异性较大，因此，附加安全系数取1.0是合适的。

（2）池壁强度设计的附加安全系数。池壁主要承受土压和水压，水深一般

取满池计算，水的容重差别极小。土压强度一般用朗肯主动土压力理论，是略偏大的。从而说明池壁荷载的取值一般是高限，且变异性很小，因此，附加安全系数取0.9，即能满足结构设计要求。

（3）底板强度设计的附加系数。池底实际上是与地基共同工作的，一般情况下计算水压及均布荷载均偏大。底板强度设计的附加安全系数取0.9，即能满足结构设计要求。

3.2 关于裂缝问题的探讨

根据对已建成水池所作的调查，水池裂缝一般为竖向裂缝。这些裂缝有两种：一是贯穿性裂缝，由混凝土收缩引起的：二是出现于池壁外侧的表面裂缝，其逐步扩伸至全截面。另外在工程实践中发现，所有的外挑现浇走道板都产生严重裂缝，并随之扩展到池壁，因此，有必要考虑到预制装配式走道板，或作现浇走道板，每隔3m～4m设伸缩缝一道。

3.3 构造配筋

水池池壁的构造配筋，宜按矩形和圆形水池加以区分。对于地面式矩形水池池壁，因对湿差和温差的影响甚为敏感，为避免产生贯穿裂缝，池壁水平向的最小构造配筋率每侧不小于0.15%为宜。对于无顶盖的水池往往在池壁顶部先开裂，宜在顶部每侧放置不小于3根直径16mm的水平向钢筋。对于圆形水池池壁的环向最小构造配筋率，其外侧的最小构造配筋率不宜小于0.35%，内侧不宜小于0.15%，对于外池有覆土的水池池壁，其内、外侧宜对称配置，但全截面总配筋牢不宜小于0.3%。水池底板最小构造配筋率，对于无顶盖的敞口水池，其底板上层钢筋的最小构造配筋率不宜小于0.15%，其下层配筋率及有顶盖的水池底板配筋率不小于0.1%。

3.4 经济配筋率

对于矩形水池，当上端自由，下端固定的竖向截面池壁时，其最大配筋率在0.8%左存尚属经济。其他矩形水池的池壁，某一界面的最大配筋率可达到1.0%左朽左右亦属经济范围。

4 设计中需要注意的部分

（1）结构内力分析，均应按弹性体系计算，不考虑由非弹性变形所产生的塑性内力重分布。

（2）对于大型水池，采用池壁与池底采用固定连接，可能使池壁产生过大的竖向弯矩。

（3）对于水池具有破坏件的地震作用主要是水平地震作用。加强结构的整体性是基本原则。

（4）柱子是细长构件，对于水平地震力比较敏感，故其配筋适当加强。

（5）在等代框架中，框架杆件的各个节点均视为刚性节点。对于封闭式框架计算时，可认为是节点无侧移，弯矩用迭代法进行计算。

（6）对于地基反力假定选择。

（7）矩形水池伸缩缝的间距。

参考文献：

[1]北京市市政工程设计研究总院.GB 50069—2002 .给水排水工程构筑物结构设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]中国工程建设标准化协会.CECS138—2002.给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程.北京：中国建筑工业出版社，2003.