探讨钢筋混凝土矩形水池结构设计

探讨钢筋混凝土矩形水池结构设计

卢生寿

关键词：结构设计矩形水池水池荷载内力计算构造措施

0引言

钢筋混凝土矩形水池作为特种结构，被广范应用于工业与民用建筑的给水、消防、排污工程中。钢筋混凝土矩形水池(以下简称水池)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。水池按有无顶盖，可分为无顶盖的开敞式池、有顶盖的封闭式池和带走道板的半封闭池；按安置方式，可分为地上式、半地上式、地下式。

1水池荷载的计算及内力组合中值得注意的问题

1.1水池荷载分类及选用

1.1.1池顶荷载对于有顶盖的封闭式水池，应计算作用于池顶板上的竖向荷载，主要包括顶板自重、防水层重、覆土重、雪荷载和活荷载。雪荷载和活荷载不同时考虑。

1.1.2池壁荷载作用在池壁上的荷载可分为池内水压力、池外土压力和地下水压力。池内水压是水池承受的主要荷载之一，一般偏安全地按满池来计算水压。一方面，工艺上有可能挖掘潜力超过原设计水位：另一方面，一旦误操作而造成满池时可保证结构的安全。对于地下式或半地下式水池，土对池壁有侧压力，侧压力通常用朗肯主动土压力理论计算。土的各参数可按岩土勘察报告所提供的实际数值取用。但在初步设计或缺乏资料时，土的内摩擦角可取30，土的重度可取18。当地面无堆载时，地面活荷载可按1.5～2.0KN/m2考虑。

1.1.3温、湿度荷载由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺要求以及季节变化等，造成池壁产生膨胀和收缩。当变形受到约束时，在池体中产生相应的温度或湿度应力。温度应力和湿度应力是导致混凝土池壁产生裂缝的主要原因，对于冬夏季或早晚温、湿差大的地区，温、湿度荷载计算是不可忽略的。温、湿度荷载所产生的内力计算是相当复杂的问题，实际工程中。

1.2荷载组合水池设计中通常考虑以下3种荷载组合：①池内水压+自重(对应工况为：池内有水，池外无土)②池外土压+自重(对应工况为：池内无水，池外有土)③池内水压+自重+温、湿度荷载第①组合为地上式水池的必需组合，第①、②组合是半地上式水池和地下式水池的必需组合，第③组合用于冬夏季或早晚温、湿差大的地区，并且没采区任何保温措施的水池。

2水池内力计算中值得注意的问题

水池的内力计算主要包括池壁内力计算和底板内力计算。不同边界条件和地基反力模型的选取，对水池的内力计算结果有很大的影响，下面分别谈一谈池壁和底板内力计算的方法及其中应注意的问题。

2.1池壁的边界条件假定和内力计算

2.1.1池壁的边界条件假定及应用：①开敞式水池池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边自由的板。②有顶盖的封闭式水池池壁，视其与顶板的连接情况，池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边铰接(或弹性支承)的板。当池壁与顶板整体连接，且池壁线刚度为顶板线刚度的5倍以上时，可假设池壁顶端为铰接，否则为弹性支承。

2.2底板内力计算

2.2.1地基反力的分布规律及底板内力计算的常用方法在地基反力作用下，池底可视为简支于池壁上，池壁间距对池底反力分布有影响，图一表示当水池池壁和底板截面相同，地基条件相同下，改变池壁间距，保持基底平均反力不变，竖向位移与反力变化趋势图。当池壁间距小至使两邻池壁刚性角重叠时，变形与反力比较均匀，不计弯矩。当池壁间距增大，变形与反力的不均匀分布愈加显著，甚至可能出现跨中反向挠曲引起与地基脱开现象，反力向池壁下集中，前者可以按地基反力为线性分布进行计算，而后者弯矩的变化已不可忽视。

实际工程中，常采用静力平衡法或考虑池底与地基相互作用的内力分析方法来计算水池底板内力。当使用静力平衡法计算时，假定地基反力按线性分布，只要求满足静力平衡条件，乎略变形协调条件，所以计算结果是相当近似的，此法适用于计算池型小、容积小的小型水池，是一种适宜手工计算的简便方法。当使用考虑池底与地基相互作用的内力分析方法时，地基反力模型一般采用Winkler弹性地基模型(Winkler弹性地基模型假设，地基表面某点的沉降与其他点的压力无关，把地基土体划分成许多竖直的土柱，每条土柱可用一根独立的弹簧来代替，如果在这种弹簧体系上施加荷载，则每根弹簧所受的压力与该弹簧的变形成正比)，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一应变关系从而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，但在求解过程中采用了数学解析法和数值计算法，计算繁琐，必需借助计算机进行数值计算。近年来，一些专家借助于计算机分析，给出了适合手算的Winkler弹性地基上矩形水池的计算用表，为设计人员用此法进行手工计算带来了方便。

3重视水池的构造措施

矩形水池实际是空间结构体系，其自身约束和外界条件的约束都十分复杂，除了通过计算来满足水池的强度、稳定和裂缝宽度要求外，更应该采用构造措施，加强结构的整体刚度，增强其防水、抗渗和耐冻性能，所以必须重视水池的构造措施。在设计中应采用以下措施：①为保证施工中捣制混凝土的质量，避免渗水，池壁和底板的厚度宜≥200mm。②池壁、底板的受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距，对于直径≤10的钢筋采用HPB235级钢筋，对于直径>12的钢筋采用HRB335级钢筋。③为保证池壁与池壁、池壁与底板为刚性连接，避免应力集中，增强连接处的抗裂性，连接转角处应设457腋角，并在腋角内配附加筋巾10@200。④采用合理的结构布置和围护措施，在水池内外表面抹防水砂浆面层，以减小温湿度对结构的影响，并加强整体刚度及保温防寒。⑤在水池四周设散水坡，防止地面水渗入引起地基不均匀沉降。

4结语

上文分别从荷载计算及内力组合、内力计算、构造措施三个方面，谈了水池结构设计时应该注意的细节问题。综上所述，只有选取合理的结构方案，假定边界条件时应尽量与实际情况相符合，应用正确的结构计算简图和计算公式，并结合水池这种特种结构的构造特点，才能把钢筋混凝土矩形水池设计得更加可靠和经济。