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)νψ=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）度应力计算的可靠性。

在掌握了全面可靠的荷载作用基础资料后，就需要对池体结构建立正确的计算模型和选择合理的荷载组合，以确保其内力及变形的计算值与水池的实际工作情况一致。

一般而言，此设计阶段的主要问题如下：（1）基础梁、板计算时采用的地基假定是否合理。

目前计算水池地基反力的三种假定[ 4]（地基反力直线分布假定、文克尔假定、半无限弹性体假定）的计算结果出入较大，所以应根据各假定的适用条件，采用与实际情况最为接近的理论进行计算。

（2）支座假定是否合理。

池体顶板、壁板、底板连接部位的支承条件决定了各构件的支座假定，采用合理的支座假定才能据此计算出正确的内力分布。

（3）荷载最不利组合是否选择正确。

一般比较容易疏漏的是施工、试水、检修阶段的荷载组合。

（4）极端温（湿）差出现的部位及取值是否有误等。

具体设计时，一般应首先根据结构方案进行初步的荷载和内力计算。

通过对计算结果的分析来进一步调整结构受力体系，尽量使池体结构的各部位都能做到结构合理、受力明确、经济可靠。

然后对整体结构所有结构件进行详细的力学计算，得到在各个起控制作用的工况下各控制断面的内力设计控制值。

在接下来的截面配筋设计中，应区分各构件是否需进行裂缝控制设计，若需进行裂缝控制设计，则应根据其受力性质分别进行抗裂度验算或裂缝开展宽度验算。

通过调整配筋率、钢筋规格、混凝土标号或构件截面尺寸，来达到裂缝控制。

另外，在设计中应包含温（湿）差应力的内容[3]。

壁面温（湿）差应力的计算较为简单，应在内力计算时将其加入可变荷载作用组合。

中面季节温差应力一般通过设伸缩缝等构造措施解决，在满足构造要求后不加入荷载组合。

在做到计算的全面、合理和准确后，还要注意一些次要构件对内力分配的影响。

如水池中常用的一些隔墙、导流墙，当采用砌体墙时，一般可作为荷载作用于池体结构上。

而一旦采用现浇混凝土壁板时，则应考虑其对池体结构的支点作用，因为这会改变主体结构内力的分配和传递。

还有，池体变形缝的设置位置和类型的不同往往会改变变形缝周边构件的受力情况。

因此，在设计和工程实施过程中，对一些看似次要部位的调整，一定要考虑到对主体结构的影响，以免因此产生破坏性裂缝。

3．2混凝土收缩和温湿差造成裂缝的控制此类裂缝的控制首先应根据规范规定，严格掌握混凝土配比及其用料的品种规格和级配，同时对混凝土灌筑和养护提出设计要求。

另外，对大型水池可采取设伸缩缝、掺添加剂和设加强带、后浇带等措施。

下面讨论大型水池的裂缝控制。

根据现行规范[2，3]要求，现浇钢筋混凝土水池在基底为土基时，应每隔20m(地面式)或30m（地下式或有保温措施）设一道伸缩缝，当为岩基时减为15m和20m，当为装配整体式时可加长5~10m。

按此构造，一般能解除中面季节温差产生的温度应力并消减混凝土收缩的影响。

伸缩缝的设置将水池结构完全切断，然而在具体设计中，有时会由于池形及池内分隔复杂而难以做到，从而采用完全或不完全收缩缝来替代。

这样做实现了伸缩缝的部分功能，在实际应用中一般也是有效的，但对于混凝土在温度作用下的伸展问题并未解决，而这有可能造成混凝土局部压碎的现象。

因此，采用收缩缝除了在构造上应将表面开槽嵌填密封胶外，更重要的是设缝位置应尽量避开构件的主要受压区和应力集中区。

由于变形缝的设置需要采取严密的构造措施来保证，对节点处理、施工及材料等都有相当高的要求，其中任何一个环节的问题，都会造成较严重的后果。

规范规定，当有经验时，可在混凝土中施加可靠的外加剂或设后浇带，减少其收缩变形，从而放宽伸缩缝的最大间距限制。

在一些大型水池的设计中，已开始越来越多地采用掺加添加剂、增设加强带、后浇带的方法，以减少或取消伸缩缝。

掺加添加剂主要是为了增强混凝土的均匀密实性能并消减混凝土自身结硬过程中的收缩变形。

当混凝土的均匀密实性提高后，一旦混凝土因受力变形而开裂时，出现的裂缝较为细密，由此起到控制裂缝宽度的目的。

目前被普遍采用的添加剂主要有两类：第一类是以膨胀剂和防水剂为主要成份的抗裂防水剂,它通过使混凝土膨胀，从而在钢筋内产生一定的预压应力，当混凝土收缩时起到补偿作用，同时其产生的晶体堵塞和切断毛细通道使混凝土密实。

第二类是在混凝土中添加高强合成纤维，制成纤维混凝土，使混凝土的收缩能量被分散至大量高强钎维上，增强了混凝土的韧性，抑制了裂缝的发生和发展。