上海建安化工设计有限公司 200072
摘要：主要介绍混凝土水池的两种计算方法，并对两种方法做了比较。在设计构造方面采取有效措施保证工程质量。
关键词：水池 结构 混凝土 方案 计算 构造措施
前言
水池作为特种结构，广泛应用于给排水工程的净水处理厂或污水处理厂；住宅小区，厂矿和企事业单位二次加压供水的清水池，以及对缺水贫困山区和西部干旱地区的人畜饮水起重要作用的蓄水池等。水池在日常生活中的应用越来越广泛，作用也越来越大，所以在水池的设计中，除满足各专业的要求外，还应考虑水池的安全性，适用性，耐久性和经济合理性。
一、工程概况
我公司承接污水处理场扩建工程的各种不同类型的钢筋混凝土水池，共8座，有多格池、单元格、圆形池等大部分地面敞口钢筋混凝土矩形水池。池高一般在6m左右。
水池属于钢筋混凝土特种构件，它由各种类型的梁、板、柱等单元构件组成，结构型式和荷载条件比较复杂。其中多格池属于三位一体的土建结构，是比较典型的敞口式钢筋混凝土矩形水池。
二、拟定结构方案
以上以多格池为例，该水池池高H=6m，侧壁L1=27m，端壁L2=14m。根据实际使用情况确定最不利荷载组合为间隔蓄水组合，有下列两种：
试水阶段：结构自重+池内满水压力
使用阶段：结构自重+池内满水压力+温度荷载
其中池底埋入地下不考虑温度荷载的作用，温度荷载应取较大的温度计算。
无论在试水阶段还是在使用阶段，因为地面式水池的池内有液体，池外无土，池壁都视为偏心受拉构件。
钢筋混凝土矩形水池是空间结构，其结构形式，几何尺寸及连接构造影响着内力计算方法。在侧向荷载的作用下，池壁的计算通常根据池壁的高宽比来分类。池壁顶端无约束为自由端，池壁与底板的连接为固定支承在池壁侧壁（L1）的计算中做了两个方案的比较。
三、方案一按悬臂挡水墙考虑
因L1/H=27/6=4.5>3，则侧壁在水平荷载作用下，壁板可视为竖向单向板，荷载几乎全部沿垂直方向传递，侧壁由于与底板固定而产生的弯矩影响加大，侧壁可按竖向单向受力计算，即悬臂挡水墙计算。
（一）、内力计算
（1）荷载取值：
P1地面堆载：
P2地下水以上引起:
P3地下水以下土引起
P4地下水引起：
（2）荷载计算：
P1地面堆载：
按1T计算
P1=10tg2(45o-φ/2)
=10xtg2(45o-30o /2)
=10x(tg30o)2
=10x0.333
=3.33kN/m2
P2地下水以上引起：
地下水位按-0.5m计算
土的容重按18kN/m3
P2=rh1 tg2(45o-φ/2)
=18x0.5xtg2(45o-30 o /2)
=18x0.5(tg30o)2
=18x0.5x0.333
=2.997kN/m2
P3地下水以下土引起：
地下水以下土的容重按10kN/m3
P3=（rsat-10）h2 tg2(45o-30 o /2)
=10x5.5tg2(45o-30 o /2)
=10x5.5(tg30o)2
=10x5.5x0.333
=18.315kN/m2
P4地下水引起：
水的容重按10kN/m3
P4=10*h2
=10x5.5
=55kN/m2
侧压力q=（P1+P2+P3+P4）1
=3.33+2.997+18.315+55
=79.642kN/m
取80kN/m
（3）内部负弯矩计算：
在角部因相邻池壁约束的影响仍属于双向受力，其水平向角隅存在着内部负弯矩，可按下式公式计算：
Mjx=mjqh2
式中:
Mjx------池壁沿高度1m截面，池壁角隅处的水平弯矩；
mj -------弯矩系数，-0.14；
q--------三角形荷载最大值，80kn/m;
h--------池壁高度，6m
Mjx=-403.2kN.m，取405kN.m则侧壁内缘受拉，配筋Ø18@100。
此钢筋要弯入相邻池壁1/4H水平距离，由于角隅处有水平弯矩的存在，侧壁附近竖向弯矩将减少，故可将1/4H水平范围内的竖向钢筋减少一半，但不少于构造钢筋要求。
（3）水侧压力作用下的池壁弯矩计算：
计算单元选取，沿壁板竖向1m板带，按悬臂梁计算。
M=-1/6qh2
=-1/6x80x62
=-480kN.m
（二）、截面选取及配筋计算
（1）截面选取：
竖向受力钢筋裂缝按《混凝土结构设计规范》表3.4.5为ζf=0.2计算。
采用C25抗渗混凝土，Ⅱ级钢；
壁板厚600mm，配筋为Ø25@100；
（2）配筋计算：
查《给排水工程结构设计手册》表1.3得底部最大配筋为：
池壁内侧竖向钢筋按构造配置Ø10@200；
池壁水平向钢筋按构造配置Ø10@200；
四、方案二按扶壁式挡水墙计算
在池壁外侧设置垂直扶壁，利用池内工艺要求所设置的小梁，使小梁通过导流墙与主要的池壁浇筑在一起，这时小梁成拉杆，一端拉在伏壁柱上，另一端拉在池壁的环梁上。扶壁间距根据工程的实际情况确定为4400mm。
扶壁式挡水墙与悬臂式相比，仅增加扶壁计算部分，底板与裂缝开展跨度的验算均与悬臂式挡水墙相同。在壁板计算时，由于扶壁的存在，计算方法不同。
（一）、内力计算
(1)垂直壁板的计算：
壁板是以扶壁为支座的一个连续板带。池高与扶壁间距之比<2，可看三边固定，一边自由的双向板进行计算。
(2)扶壁的计算：
扶壁与底板，壁板，拉杆一起工作。
顶端为自由端时扶壁的计算：扶壁两侧为双向板，所以受荷面积呈梯形分布。因垂直壁板的荷载图形沿深度直线变化，故扶壁的荷载图形为二次曲线的不规则形状。
(3)扶壁荷载计算：
qmax=q(1-L/2H)L
=80x(1-4.4/2x6)x4.4
=222.9kN.m
(4)扶壁底端的弯矩计算：
M=-BqL3
=-0.274x80x4.43
=-1867.2kN.m
(5)拉杆对扶壁底端产生的弯矩计算：
选拉杆截面尺寸：
bxh=200x200
假定拉杆选配6根Ø14钢筋
则As=923mm2
N1=N2=270x923=249kn
MN=249x(2.01+3.74)
=1431.7kN.m
(6)考虑拉杆后扶壁底端的弯矩计算：
M=-1682.4+1431.7
=250.7kN.m
(7)扶壁底端的剪力计算：
Q=ηqL2
=0.46x72x4.42
=641.2kN
考虑上部两层拉杆的作用，因底部拉杆接近扶壁底端，故不考虑它对扶壁的作用。
（二）、截面选取及配筋计算
(1)截面选取：
综合考虑拉杆与扶壁的共同作用，则取扶壁bxh=250x400
(2)配筋计算：
配4根Ø20钢筋。
五、水池底板的计算
（一）、底板的荷载
底板承受作用于底面的地基反力和上部结构传来的垂直荷载。
（二）、计算原则
地基反力按直线分布考虑，既底板可看作是均布荷载作用下的倒矩形板计算，地基承载力除池壁下为条形基础外，一般可不验算，在地基反力作用下，池底一般可视为简支于池壁之上，池壁在侧压力作用下的底端弯矩，作为力偶荷载传递给底板。
（三）、底板的内力分析
整体式底板每隔水池平面尺寸的长宽比确定为单向板。顺短跨方向截取池底宽1m，按多跨连续板计算。
(1)池内有水情况：
在计算中近似的认为底板自重和池内水重直接通过板底传入地基，和土的反力直接平衡，对板底不产生弯矩。
(2)垂直荷载:
由上部结构传递下来的
∑F=320kN
(3)整体式底板面积：
A=14m2
(4)上部荷载产生的地基反力：
P=∑F/A
=320/14
=23kN/m2
六、方案对比
方案一中：
m=480kN.m,考虑m，p的共同作用，选h=700mm，需配Ø18@100；
方案二中：
m=250.7kN.m，考虑m,p的共同作用，选h=350mm，需配Ø14@100.
以上两种方案都可以在工程中使用，经优化比较可以看到方案一壁板、底板的截面尺寸及配筋量都特别大，外观看起来也不美观。方案二与方案一相反，不仅在结构上受力明确，而且在节省投资、使用方便及美观等方面都优于方案一。
七、水池设计与构造措施
水池结构的设计计算，除满足强度，结构稳定和抗裂或限制裂缝宽度计算外，还必须在构造上具有防水，抗渗和耐冻的能力。钢筋混凝土水池主要靠自身的密实性来增强其防水，抗渗和耐冻性能。针对这项工程，在设计方面采取了以下措施：
(1)水平向构造钢筋：
钢筋混凝土池壁的拐角处钢筋，应有足够的长度锚入相邻的赤壁内；锚固长度应自池壁的内侧表面起算。
(2)加强筋的设置：
敞口水池最容易在池壁上出现裂缝，所以水池顶端宜配置水平加强钢筋。水平向加强钢筋内外两侧各不少于3根，间距不宜大于100mm，直径不应小于壁板受力钢筋，梁内配筋应按计算确定。或可设置暗梁、暗柱。使易出现裂缝的薄弱部位含钢率增大，也增强了结构的抗裂性能。暗柱设在池壁交界的转角和丁字交接处及十字交叉处配4根Ø12的竖向受力筋来加强水池的整体性，加强了薄弱部位，提高了抗裂性能。
(3)腋角的设置：
为保证池壁与池壁、池壁与池底的刚度连接，避免应力集中，水池壁板的拐角及顶、底板的交接处，宜设置腋角，一般设45º腋角，腋角的边宽不应小于150mm，并应配置构造钢筋，一般可按墙或顶、底板截面内受力钢筋的50%采用。
(4)合理结构布置和围护措施：
采用合理的结构布置和围护措施，在水池内外表面抹水泥砂浆面层，以减少钢度对结构的影响，并加强整体刚度及保温防寒措施。
在水池四周设散水坡，防止地面水渗入引起的地基不均匀沉降。
八、施工措施
为了严格控制由于施工因素造成的裂缝产生和发展，除严格执行设计技术要求外，施工人员还应注意以下几点：
（1）使用外加剂：
由于水池一次性浇筑混凝土量较大，要求施工中在混凝土内掺入缓凝剂；另外为了满足混凝土的塌落度，施工中除了调整混凝土的配比外，还应掺加适量的减少剂。
（2）控制水灰比：
根据抗渗、抗冻以及耐久性的要求，混凝土水灰比不宜过大，一般控制在0.5左右。混凝土单位体积水泥用量宜在320kg左右。
（3）加强养护：
特别是混凝土的早期养护，延长养护时间，提高养护质量。水池竣工后，应及时进行冲水试验。
综上所述，只有选取合理的结构方案，结合钢筋混凝土特种结构的构造特点，才能把特种结构工程设计的更加可靠和经济。
参考文献
【1】《混凝土结构设计规范》 GB50010-2010
【2】《建筑结构荷载规范》（2006年版） GB50009-2012
【3】《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS138:2002
论文作者:胡俊
论文发表刊物:《基层建设》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/14
标签：水池论文; 荷载论文; 弯矩论文; 底板论文; 壁板论文; 钢筋论文; 结构论文; 《基层建设》2017年第8期论文;