钢筋混凝土矩形水池结构设计分析

钢筋混凝土矩形水池结构设计分析

发表时间：2017-10-12T15:59:07.643Z 来源：《建筑学研究前沿》2017年第13期作者：劳智炬

[导读] 各种结构类别、形式的水池均应进行强度验算。

摘要：钢筋混凝土矩形水池是常见的特种结构类型之一，被广范应用于工业与民用建筑的给水、污水、消防工程中。在设计时，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。

关键词：钢筋混凝土；水池结构；结构设计

一、水池结构的设计分析

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

（1）各种荷载。

水压：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；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；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，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；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。

（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.水池的构造要求

3.1水池的受力壁板和底板厚度不宜小于200mm，顶板厚度不宜小于150mm.当钢筋混凝土水池采用构造底板时，底板厚度不应小于120mm，底板顶面应配置构造钢筋，配筋量不宜小于每米5根直径8mm的钢筋。

3.2水池的最小保护层厚度应满足给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程要求。

3.3钢筋混凝土水池长度大于30m（室内或土中）或20m（露天）便需要设伸缩缝，缝宽20mm～30mm.伸缩缝应做成贯通式，在同一剖面上连同底板、顶板一起断开。大型水池还需要设施工缝，主要作用是保证前后两期施工混凝土的良好连接，水池施工缝的位置可设在底板与池壁连接斜托上部和池壁与顶板连接斜托的下部。

3.4 池壁、底板的受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距，尽可能采用HRB335和RRB400级钢筋。水池各部位的钢筋间距应在100-250mm范围内。如果钢筋间距太密，会影响混凝土振捣，而钢筋间距太大，容易产生裂缝。

4.水池计算注意问题

4.1 水池的边界条件。

4.1.1水池的分类：当L/H>2时为浅池，当L/H<0.5时为深池，当0.5≤L/H≤2时为双向板式水池.

4.1.2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。合理的选择结构计算简图和计算公式才能保证结构设计的准确、可靠。水池内力分析计算时，尽量做到边界条件的假定与实际情况相符。

4.1.3 敞口水池：水池顶板无约束时应为自由，水池与地板或条形基础连接时均可视池壁为固端支承。池壁顶端以走道板、工作平台、连系梁等作为支承结构时，应根据支承结构的横向刚度确定池壁顶端的支承条件为铰支或弹性支承。

4.1.4 有盖水池：当顶板为预制装配板搁置在池壁顶端而无其它连接措施时，顶板应视为简支于池壁，池壁顶端应视为自由端；当预制顶板与池壁有抗剪钢筋连接时，该节点应视为铰支承；当顶板与池壁为整体浇注并配有连续钢筋时，该节点应视为弹性固定；当仅配有抗剪钢筋时，该节点应视为铰支承。壁板与池底或条形基础连接时，可视池壁为固端支承，对位于软地基上的水池，应考虑地基变形的影响，宜按弹性固定计算。当池壁为双向受力时，相邻池壁间的连接应视为弹性固定。

4.1.5比较敞口和有盖水池壁板的边界条件，设置顶盖的池壁所承受的弯矩要小很多。因此当采用顶盖结构有困难时，应尽可能从池壁挑出走道板。走道板满足规程要求时，可以假定为不动铰支承。当底板设为固定支承时，底板（基础）厚度可根据土质情况取1.2～1.5倍池壁厚度，这是按照底板（基础）刚度是池壁刚度的10倍左右，在一般情况下底板可起到固定作用。外挑的要求也同样为了起固定作用。

5.2 荷载取值

5.2.1 池内水压力。池内水压应该按池内满水最高水压计算，这样偏于安全。之所以不按给排水专业提的最高水位计算池内水压，是因

为水池施工完成后要进行水池试水。试水时水池内是满水。另一方面，在日后的使用过程中，有可能工艺会进行技术改造因而超过原水位设计标高，这些都是应该考虑的因素，进而能使水池的设计满足日后的各种需求。

5.2.2 池外土压力。当有覆土时，要按照池壁上方有附加荷载来计算池壁土压力.

5.2.3 池外水浮力。当地下水位标高在设计池底标高之上时，就应考虑地下水浮力的作用.同时，地下水对池体的浮托力绝对不容小视。由于地下水位未掌握好而引起结构选型错误及抗浮不够等工程事故也时有发生。地质勘察报告所提供的地下水位一般仅反映勘测期间的地下水位情况。如果详勘在当地枯水期进行，所提供的地下水位标高将无法被设计取用，或导致结构计算的失误。根据实际情况，结合地方水文资料，确定一个合适的地下水位标高做设计地下水位，做到既保证使用阶段结构安全和不利情况抗浮安全，又能降低工程造。水池自重（包括土体及上部结构自重，但不包括水自重）与水浮力的比值即抗浮抗力系数不应小于1.05.当抗浮系数小于1.05时，就应当采取相应措施增加水池自重。

5.3 底板内力计算模式的选择

5.3.1对于池体容积小，短跨尺寸在6m以内时，计算底板内力可以按地基反力直线分布计算。一般情况下，直接作用于底板上的池内水重和底板自重与它们引起的那部分地基反力直接抵消，而不产生弯曲应力。只有由池壁和池顶、支柱作用在底板上的力所引起的地基反力才会使底板产生弯曲应力。

6.4 截面设计的关键性问题

（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。

（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）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Φ16 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，但全截面总配筋率不宜小于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%。（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 %左右尚属经济。其他矩形水池的池壁，某一界面的最大配筋率可达到1.0 %左右亦属经济范围。

二、水池结构的施工

1 水池底板施工要点

（1）混凝土垫层（基础）浇筑前，应检查地基土质是否与设计资料相符合，如有不同，则应该针对不同情况加以处理，然后再浇筑混凝土垫层。

（2）混凝土垫层在浇筑完毕后的1 d～2 d（视施工时的温度而定），在垫层面测定底板中心，然后根据设计尺寸进行放线，定出柱基及底板的边线，画出钢筋分布线，依线铺放绑扎钢筋，接着安装柱基和底板外模板。（3）钢筋绑扎时，应详细检查钢筋直径、间距、位置、搭接长度、上下层钢筋的间距、保护层及预埋件的位置和数量，均应符合设计要求。上下层的钢筋要用铁撑（马凳）加以固定，防止在浇筑混凝土时发生变位。（4）柱基模板是悬空架设，下面用临时小方木撑在垫层上，边浇混凝土边取出小方木。（5）底板应一次连续浇筑完，不留施工缝。施工间歇时间不得超过混凝土的初凝时间。平板厚度在20cm以内可用平板振动器，厚度较厚时，则采用插入式振动器。

（6）池壁为现浇混凝土时，底板与池壁连接处的施工缝可留在基础上口20 cm 处，如设计要求有止水钢板，在浇捣混凝土前，应将止水钢板安放固定。

（7）混凝土浇筑完毕后，其强度尚未达到1.2 MPa 时，禁止振动，不得在底板上搭设脚手架，安放模板或搬运工具，并注意对混凝土的养护。

（8）遇特殊情况需留施工缝时，应做成垂直的结合面，并注意结合面附近混凝土的密实。

2.混凝土浇筑

水池混凝土一般可采用分节浇筑和连续浇筑。池壁分节浇筑的顺序：基础底板→池壁→环梁→顶盖。池壁连续浇筑的顺序：基础底板→池壁→环梁及顶盖。

3.防水层施工

水池内防水层施工按水塔内防水层施工进行。水池外壁一般喷涂沥青防水层。用作防水层的沥青必须符合规定标准，施工前应检查是否合格。施工前应将池外壁洗刷干净，先涂冷底子油，然后涂热沥青两道。参考文献

[1]王增长.建筑给排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[2]张靖静.水池结构设计概要分析[J].山西建筑，2005，31