探讨对矩形水池底板结构内力的分析

探讨对矩形水池底板结构内力的分析
随着近年环保形势的恶化，污水处理项目会越来越受到社会各界的关注，怎么样用最小的投资，换回最大的社会效益，是摆在本行业各个专业设计人员面前的一道难题，也是必须要克服的难题。

本文主要阐述了对矩形水池底板结构内力的分析。

标签：矩形水池;底板结构;内力;分析
一、前言
随着科学的进步和社会的发展，对环境保护的要求也越来越高，水池类的工程建设也逐年增多。

在建筑工程中，水池类构筑物属于特种结构，其在方案设计、施工阶段均要受到工艺要求、现场条件、施工方法等因素的影响。

针对矩形水池底板结构内力的分析进行深入的研究和探讨。

二、矩形水池分类
矩形水池分为：敞口水池，有盖水池，无梁板式水池，多格水池，双层水池，带斗底水池，装配式水池等等。

水池还可以是地下式、半地下式、地面式。

水池按材料分可以分为：钢筋混凝土水池、砌体结构水池、钢结构水池。

就场地布置来说，矩形水池对场地地形的适应性较强，便于节约用地及减少场地开挖的土方量。

矩形水池结构的整体性比较差，池体受力的组成因素复杂，导致矩形水池的节点设计及构造也比较复杂。

矩形水池对于地基的不均匀沉降反应敏感。

在温差和湿差的作用下，经常产生显著的附加应力。

早期干缩效应也很明显，易于出现裂缝，需要严格地限制变形缝的间距。

三、设计水位的确定
在进行水池这一类需要较大的建筑面积并且内部极为空旷的建筑设计过程中，进行抗浮稳定的设计工作显得特别的重要。

如果在施工完成之后水池出现了上浮的状况，所造成的影响和财产损失是极大重大的。

在国家对水池建设的安全规范标准中明确的规定，必须要将水池的整体抗浮数值稳定在1.05才能够算作合格的抗浮数据，并且在设计的过程中还要根据相关的规定来设计水文资料所能够达到的最高地下水位。

其水池五十年的设计工程中，一般来说所选的水可荷载作用都是严格按照国家规定的来进行确定，没有有将洪水等情况来作为设计考虑。

但是在目前的众多设计工程中，所勘查出来的数据报告可以看出，这些数据都只能算是当时勘测的时期的数据，如果在勘测的时候遇到的是干旱季节，那么所使用数据在进行设计建造的过程中就会误导计算结果，使得计算设计建造的工程缺乏一定的安全性。

对于这一类不符合实际的勘测报告，其工程设计人员必须要与相关的勘查单位或者勘查人员进行详细的沟通，从相关单位和个人口中得到更为精确、权威的数据。

四、水池底板计算模型的选择
1.第一种计算模型为在地基反力的作用下，池底视作简支在池壁上，池壁间距对池底反力分布有影响。

当池壁间距较小时，两相邻的池壁刚性角重叠，变形和反力不均匀分布可以忽略，而当池壁间距增大，这样的不均匀分布愈加明显。

前者的计算可以采用静力平衡的方法或者考虑池底与地基相互作用的内力分析来计算水池底板的内力，考虑地基反力是按照线性分布的，只要求满足静力平衡的条件，忽略变形协调条件，对于池壁间距较小，容积较小的情况，这样的假定是合适的。

2.第二种计算模型为假设把地基模拟为刚性底座上的一系列弹簧，当地基表面某一点受压时，仅在此点处产生局部沉陷，这种假设称为文克尔假设，文克尔地基模式是目前较为实用的水池-地基共同作用的主要模拟方法之一，其假定地基单位面积上所受的压力p与地基竖向位移y成正比，这种模型主要是以模拟天然地基土在荷载作用下实际应力-应变关系从而得到比较准确地解决变形协调关系，得到接近于实际的反力分布和变形规律。

五、对矩形水池底板结构内力的分析
1.结构选型
当地基土质较好，地基承载力特征值不小于150Kpa，且无地下水地区的浅池壁，其设计原则可以按挡土墙设计。

当水池较深时，可以在池壁外侧设置垂直向扶壁或水平向肋梁。

池壁与底板之间的连接，可设计成止水缝的分离式结构和底板局部加厚的整体结构两种。

池壁为单向板时，板厚可取（1/10～1/20）H;当池壁为双向板受力时，则板厚可取（1/20～1/30）H。

当池壁较高时，壁厚也可以采用变截面。

底板的宽度一般按计算确定，一般采用（0.4～0.8）H，底板的厚度一般按计算确定。

水池设计分为顶板设计，池壁设计和底板设计。

由于顶板设计与普通楼板设计相似在此不再赘述，下面着重总结一下池壁和池底的设计方法。

当地下水位較高，地基承载力特征值较低时，一般采用常规水池设计。

常规水池，分为圆形水池，矩形水池，漏斗形水池等等不一而足，下面主要总结一下矩形水池的计算。

荷载取值的问题：
（1）池内水压力。

池内水压作为水池类构筑物的主要荷载，池内水压荷载的取值大小对于水池的下端弯矩影响较大。

按照设计规范，池内水荷载可以按照恒载处理，荷载分项系数按1.2设计。

最高水位按照工艺提供的极限水位设计即可。

这样可以节省大量的投资。

（2）池外水浮力。

水池产生的上浮的原因是结构自重和地下水池侧壁磨擦力之和小于水浮力。

地下结构所受的地下水浮力总和为作用在基础板上的静水压强与底板面积的乘
积，即水浮力：P=p×A，式中P—基底所受的水浮力;p—作用在底板上的静水压强;A—底板面积。

基底静水压强p一般按以下式确定;
p=γw×H
式中：γw——水的密度;
H——抗浮设计水头值。

地下水位，根据不同的工程而不同。

当地下水位较浅时，为安全起见，一般按照地坪下500mm设计，虽然大部分场地需整平抬高，但在一定的年限后，地下水位可以相应的提高;当地下水位很低时，可以参照地勘报告所提的标高提高1000mm左右设计，一般是安全和经济的。

根据经验，按以上方式确定地下水位抗浮计算，没出现过工程问题，说明是安全可靠的。

（3）温、湿度作用。

由于构筑物一般都是露天结构，一年四季的温差，湿度变化是不可避免的。

温差，湿差引起的结构应力很容易产生有害裂缝，也是不可忽视的。

在具体设计时，按规程提供的方法计算即可。

2.案例计算
（1）顶板和底板
对于有顶盖水池，顶盖计算和钢筋混凝土楼盖的计算方法比较类似;而对于圆形顶板，根据支承条件可查静力计算手册进行计算;对于异形水池的内力计算，可将其进行相关微分，化为若干个小圆形和小矩形进而用上述方法进行计算。

底板计算时，视水池底板的结构形式而定，当水池池壁采用独立基础时，底板的反力按直线分布考虑，对于一般水处理结构水池，由于平面尺寸较小，底板多为等厚平板，须按不同荷载情况计算内力，进行组合叠加即可。

（2）池壁的内力计算
水池池壁的内力按弹性理论进行计算，根据池壁壁板的长度和壁板的高度的比值和壁板边界条件按《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》规定计算。

应该注意的是池壁与池壁的边界条件多为弹性固定，因此须进行不平衡弯矩的分配。

（3）水池的总体抗浮按下式计算：
（水池总自重+池顶覆土重）/总浮力≥1.05
总浮力=A×（H+h1）*γw
式中：A——水池底面积，必须算至最外周边
H——地下水位至底板面层的厚度;
h1——底板厚度;
γw——水密度，取10kN/m3。

由以上代入可得，抗浮稳定性验算式为：
W/（γw×H×A）≥1.05
式中：W——基底以上全部抗浮荷載，KN;
A——水池底面积，m2;
H——抗浮设计水头值，m;
γw——水的密度，取10kN/m3。

当水池整体抗浮不满足时，封闭水池可用增覆土厚度的办法来解决，也可采用加大底板飞边的方式加大池体自重进行抗浮。

当场地受到限制或以上两种方式不能满足抗浮要求时可采用锚杆、锚桩抗浮，锚桩一般选用抗拔性能好的钻孔灌注桩。

3.底板计算
（1）底板承受地基反力，地下水浮力以及上部结构传来的荷载。

（2）除长池可按框架分析外，通常假设底板为简支于池壁之上，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。

（3）底板根据每个水池平面尺寸的长宽比，分为单向底板或双向底板;分别顺单向或双向截取截条，按单跨或多跨连续梁进行计算。

4.造构措施
（1）根据规范可知，为减小池壁、底板的裂缝，受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距，HRB400钢筋。

（2）“暗梁”、“暗柱”。

现浇钢筋混凝土水池在角隅处容易产生应力集中现象，很容易出现裂缝，因此必须适当加强，根据工程经验，设置“暗梁”、“暗柱”安全有效。

（3）角隅配筋。

浅池池壁角隅区域的里外侧都需设置水平加强钢筋。

（4）腋角。

池壁与池壁间，腋角高度c=0.8～1.0a（a为壁厚），配筋面积不
小于1/2～1/3受力钢筋面积，间距为受力钢筋的2倍。

池壁与底板之间，腋角高度c=0.6～1.0t（t为底板厚度）。

六、结束语
综上所述，全面理解和掌握水池设计的要点并能正确运用于工程实践，有利于提高水池设计的科学性和经济性，鉴于钢筋混凝土水池所处的环境，除正确的理论计算和选择合理的结构形式外，同时必须重视水池的构造要求，从而全面提高水池设计的质量。

参考文献：
[1] CECS138：2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[2]郭天木.贮水构筑物底板内力的合理计算[J].特种结构，2012，21（1）.
[3]给水排水工程结构设计手册.中国工业出版社，2011，7.
[4]孙炜.一种多格矩形水池底板内力简化计算方法介绍，特种结构2012，1.。