钢筋混凝土水池设计中的裂缝控制

钢筋混凝土水池设计中的裂缝控制

1引言

在给排水及环境工程等建设项目中，钢筋混凝土水池成为设计的主要内容。考虑到水池的抗渗防裂性能对其正常使用及运转有着至关重要的作用，水池的结构设计必须重视裂缝的控制。

水池产生裂缝的原因多种多样，与设计、施工、使用过程中的诸多因素均有关联。本文主要探讨在水池结构设计中如何有针对性地避免破坏性裂缝的产生，并结合工程实例阐述对相关问题的认识与可以采用的措施。

2水池裂缝的成因

钢筋混凝土结构在受力状态下出现裂缝是一种普遍存在的现象，如混凝土因荷载作用下的拉应力、或是温度收缩引起的拉应力等而出现的裂缝等。一般而言，在普通的钢筋混凝土结构中要求完全避免出现裂缝，是不现实也是完全没有必要的。

钢筋混凝土结构在受力时，只有产生一定量的形变，才能发挥钢筋的作用。混凝土的受拉形变往往伴随着裂缝的产生，当裂缝宽度控制在不影响结构件的受力性能、使用性和耐久性时，这些裂缝是正常的结构裂缝，无须处理；而过大宽度的裂缝，就会影响到结构的安全、适用和耐久性，这种裂缝可称为破坏性裂缝。破坏性裂缝一旦出现，必须进行相应的处理。针对水池结构的防渗漏的功能要求，有关钢筋混凝土水池设计的规范、规程的对裂缝控制有具体的规定。

为了在水池结构设计中做好裂缝控制工作，有必要先对水池中易发生破坏性裂缝的各种情况作一了解。

2．1 荷载作用造成的裂缝

当结构在外部荷载（各种恒、活载；水、土压力；地基反力等）作用下，因受力性能不足，产生了过大变形，使裂缝发生并发展为破坏性裂缝。这种由荷载作用造成的裂缝的产生，主要是由于设计时采用的基础资料有误或是设计中考虑不周、计算疏忽等失误造成。

对水池结构来说，荷载偏差一般容易由下列因素造成：水池在各种工况下的水位变化、空满情况、地质资料、水温及气温等各种环境参数等的基础资料有误或设计中遗漏某种极端工况；结构建模有缺陷，造成内力计算值与实际受力状况有较大偏差；设计中对一些内力和变形控制点、应力集中点把握不准，或忽视次要构件对内力分配的影响；计算不细致或漏算等。

另外，除设计应考虑的工况外，其他由于施工不当、周边环境的突发因素或因擅自改变水池使用条件等原因造成的荷载变化，本文不作论述。

2．2混凝土收缩和温湿差变形造成裂缝混凝土在其硬化期间放出的大量水化热，使得混凝土结构内部的温度不断上升，以致在结构表面引起拉应力；在其后期的降温收缩过程中，又由于受到支座及周边混凝土的约束而在混凝土结构中出现拉应力。因此，水池结构中的混凝土早期收缩裂缝主要出现在裸露表面，混凝土硬化后的收缩裂缝出现在结构件的中部附近较多。

由于环境温度的变化，会使混凝土构件产生热胀冷缩，这种由气候变化产生的温差，在水池结构设计中称为中面季节温差。而混凝土结构温度分布不均，也会在结构内产生温度应力。影响混凝土结构温度分布的外部因素包括接触媒介的温度温度、风速和结构方位朝向。内部因素主要有混凝土的导热系数、水化热、结构形状、是否有铺装层、

结构表面颜色等[1]。此类造成混凝土结构温度应力的原因，在水池设计中一般表现为壁面温（湿）差。

中面季节温差产生的温度应力一般可通过设置伸缩变形缝或在混凝土中添加外加剂，以及采用设置加强带、后浇带等措施解决，此类方法一般还能同时消减水化热的影响。壁面温（湿）差一般由于池壁两侧接触的介质具有不同的温度和湿度，从而形成的壁面温差和湿差，使得温（湿）度较低一侧的结构受拉，从而产生裂缝。这种壁面温（湿）差应作为一种荷载作用，在结构设计中应进行相应的结构裂缝验算。

2．3由于材料质量和构造不良造成的裂缝混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂所组成。要避免水池结构产生破坏性裂缝, 混凝土用料是否适当及材料质量能否保证,起着重要的作用。因用料不当或材料质量有问题而造成的裂缝，即便经修复后能满足正常使用，但往往仍留有隐患，所以一定要注重事前的防范。

有关水池结构的节点等细部构造要求在相应的规范、规程中有规定。设计时应注意使水池结构的整体满足结构选型及布置的合理性外，同时还应保证所采用的水池结构的计算模型与水池的实际受力状态一致，这就需要通过构造措施来实现。如果设计采用的构造措施不当或缺失，就会使结构实际受力情况与计算模型不符，从而难免在结构中形成薄弱部位以致产生破坏性裂缝。

3 水池设计中的裂缝控制

根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB 50069–2002)[2]要求，裂缝控制通过抗裂度验算、裂缝开展宽度验算和构造措施来实现。

对轴心受拉或小偏心受拉构件，应按不出现裂缝控制进行抗裂度验算。此时，构件的抗裂性能主要由混凝土抗拉强度和构件受拉截面大小决定。对受弯或大偏心受拉（压）构件，应按限制裂缝宽度控制，在水池设计中以此类工况最多。

规范[2,3]推荐的裂缝宽度验算公式如下：ωmax=1.8ψ(σsq/E s)(1.5c+0.11d/ρte) (1+α1)ν

ψ=1.1－0.65f tk/(ρteσsqα2)

式中ωmax——最大裂缝宽度(mm)；

ψ——裂缝间受拉钢筋不均匀系数

(0.4~1.0)；

σsq——纵向受拉钢筋应力(N/mm2)；

E s——钢筋弹性模量(N/ mm2)；

c——混凝土保护层厚度(mm)；

d——纵向受拉钢筋直径(mm)；

ρte——按有效受拉混凝土截面面积

计算的纵向受拉钢筋配筋率；

ν——纵向受拉钢筋表面系数；

α1、α2——按受弯或大偏心受拉（压）

情况所采用的系数；

f tk——混凝土轴向抗拉强标准值

(N/mm2)。

设计时一般先根据强度计算结果初步确定配筋，然后进行裂缝宽度验算。在水池结构中，根据水池的盛水性质（清、污水）及其使用功能，最大裂缝宽度一般应控制在0.2mm或0.25mm。运用上述公式进行验算时，可归纳出一些在相同配筋率下有利于裂缝控制的因素。例如，采用直径较细的钢筋，或较高抗拉强度的混凝土等。

下面，根据分析裂缝成因来探讨如何在设计中采取恰当的措施以控制裂缝的发生和发展。

3．1荷载作用裂缝的控制

荷载作用裂缝的控制，就是要求在设计时对池体各部位可能产生最大拉应力的截面进行计算分析，使之满足裂缝控制的要求。要避免此类裂缝，首先应在水池结构设计的基础资料的收集使用中做到完整、准确。这是因为：地下水位和土层情况的不同，会使埋地式水池的设计水土压力产生很大变化；基础持力层的不同可能直接影响基础结构形式和池体沉降变形情况；水池在试水、调试、运行、检修等各种状态下的荷载作用，则关系到内力计算的准确性；气象资料及池内水温情况，决定了温（湿）度应力