鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水池的設(shè)計與施工

胡建強

（立誠建筑設(shè)計院有限公司，蘇州215200）

1 鋼筋混凝土水池簡介

水池是工業(yè)與民用建筑中常用的構(gòu)筑物。在各種材料的水池中，鋼筋混凝土水池因具有耐久性好、構(gòu)造簡單、造價低等優(yōu)點，應用最廣。鋼筋混凝土水池按用途可分為水處理用池和貯水池；按水池建造位置可分為地上式水池、地下式水池和半地下式水池；按幾何形狀可分為圓形水池和矩形水池；按結(jié)構(gòu)型式可分為封閉式水池和開敞式水池；按施工方法可分為整體式、裝配式和裝配整體式水池；按配筋方式可分為非預應力和預應力水池。

水池池壁可做成不同的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力大小及其分布情況，主要有等厚池壁和變厚池壁2種。其中等厚池壁又可分為矩形水池和圓形水池，前者常用于容量在200m3以下的情況，后者常用于容量在200m3以上1 000m3以下的情況。而變厚池壁常用于容量大于1 000m3的水池池壁。

貯水池的頂蓋和底板多采用平頂和平底型式。水處理用池由于工藝的特殊要求，池底常做成倒錐殼、倒球殼，或多個旋轉(zhuǎn)殼體組成的復雜型式。倒錐殼和倒球殼組合池底形成的加速澄清池，如圖1所示。

2 作用在水池上的主要荷載

作用在水池上的主要豎向荷載有池頂荷載和池底荷載，主要水平荷載有池壁荷載，如圖2所示。

2.1 池頂荷載

作用在池頂上的荷載主要有頂板自重、構(gòu)造層重、上覆土重、活荷載和雪荷載。其中活荷載和雪荷載不同時考慮，計算時取2者中的較大值。

2.2 池底荷載

對于整體式底板而言，所謂池底荷載指的是底板所受的地基反力和地下水產(chǎn)生的浮力，其效果是在底板中產(chǎn)生彎矩和剪力。相應的計算公式為

2.3 池壁荷載

池壁承受的荷載主要是作用于水平方向的水壓力和土壓力。

池壁水壓力按三角形分布，池內(nèi)底面處的最大水壓力標準值計算公式為

池壁土壓力按主動土壓力計算，池壁外側(cè)壓力按梯形分布。

池壁頂端外側(cè)壓力組合標準值計算公式為

池壁底端外側(cè)壓力組合標準值計算公式為

2.4 作用在水池結(jié)構(gòu)上的其他荷載

除了上述最常見的荷載之外，還有一些其他作用會對水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。設(shè)計中主要考慮的有溫度和濕度變化以及地震作用等，它們都會對水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應力，在設(shè)計中必須加以考慮。

溫度和濕度的變化會導致混凝土產(chǎn)生膨脹或收縮變形，若這種變形受到約束就會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生相應的附加應力，稱為溫度應力和濕度應力。導致這種溫度或濕度應力產(chǎn)生的原因可以歸納為2個方面：池壁內(nèi)外的溫濕度差異和施工與使用期的溫濕度差異。前者指的是使用期內(nèi)池內(nèi)水溫與池外氣溫（土體溫度）存在差值，后者指的是施工期混凝土硬化后與使用期的最值溫度存在差值。

地震作用也可能對水池結(jié)構(gòu)造成破壞，設(shè)計中也需要加以考慮，一般僅需驗算水平地震作用。與地上結(jié)構(gòu)相比，由于整體式鋼筋混凝土水池的整體性能好，具有良好的抗震性能，能夠抵御一定烈度的地震作用。因此在設(shè)計過程中，對于設(shè)計地震烈度為7度及以下的地面式和地下式水池，以及設(shè)計地震烈度為8度，但平面較規(guī)則（長寬比小于1.5）且沒有變形縫（整體性好）的有頂蓋地下式鋼筋混凝土矩形水池不需專門作抗震驗算，而只需采取相應的抗震構(gòu)造措施。當設(shè)計地震烈度較大的9度及以上時，除需計算水平地震效應外，還要計算豎向地震作用效應，并將2者進行組合，一般采用平方和開平方的方法進行。

2.5 荷載組合

水池一般應根據(jù)下列3種不同的荷載組合方式分別計算內(nèi)力：

1）池內(nèi)滿水，池外無土；

2）池內(nèi)無水，池外有土；

3）池內(nèi)滿水，池外有土。

3 鋼筋混凝土矩形水池設(shè)計

下面以鋼筋混凝土矩形水池為例，對其設(shè)計方法和流程進行介紹，圓形水池的設(shè)計與之類似，不再專門列出。

3.1 不同長高比池壁的計算假定

在側(cè)向荷載作用下，不同長高比的水池池壁受力情況是不同的，其計算假定需符合實際受力情況。池壁在側(cè)向荷載作用下單、雙向受力的劃分標準，如表1所示。

表1 側(cè)向荷載作用下池壁單、雙向受力的劃分標準

3.2 池壁邊界（支承）條件的確定

1）開敞式水池

擋土（水）墻式水池池壁：按頂端自由、底端固定的邊界條件進行計算；雙向板式水池的池壁：頂邊按自由計算，底邊一般可視為固定支承；水平框架式水池：與底板的連接處可按固定端考慮，相鄰池壁間可視為彈性固定。

2）封閉式水池

擋土（水）墻式水池：應根據(jù)池壁和頂板的線剛度之比來確定池壁的邊界條件。當池壁線剛度與頂板線剛度之比大于5時，池壁頂端可視為鉸接，否則應按彈性固定計算。池壁與底板的連接處可按固定端考慮。

雙向板式水池的池壁：按與上述封閉式擋土（水）墻式水池相同的原則確定池壁頂端邊界條件，底邊一般可視為固定支承；水平框架式水池：頂板的連接應根據(jù)構(gòu)造及剛度關(guān)系按鉸接或彈性固定考慮，底板的連接一般可按固定考慮。

3.3 水池的結(jié)構(gòu)布置原則

1）平面布置

矩形水池的平面一般是長方形的，其布置應由地形來確定。

2）基礎(chǔ)形式

擋土（水）墻式水池基礎(chǔ)通常采用在池壁下設(shè)置帶形基礎(chǔ)，而底板采用鋪砌式結(jié)構(gòu)；雙向板式和水平框架式水池基礎(chǔ)，底板通常做成整體式。

3）伸縮縫的設(shè)置

伸縮縫的設(shè)置根據(jù)建造位置進行考慮。

對于建造于土基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地上式水池，伸縮縫的間隔不宜超過20m；溫度區(qū)段的長度不宜超過20m；對于建造于巖基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地上式水池，伸縮縫的間隔不宜超過15m。

對于建造于土基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下式水池，伸縮縫的間隔不宜超過30m；對于建造于巖基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下式水池，伸縮縫的間隔不宜超過20m。

伸縮縫宜做成貫通式，在池壁、基礎(chǔ)及底板處均斷開，縫寬不宜小于2mm。

4）擋土（水）墻式水池池壁結(jié)構(gòu)型式

開敞式擋土（水）墻式水池池壁，宜做成變厚度池壁，池壁底厚＝1.5倍池壁頂厚；開敞式擋土（水）墻式水池池壁，做成等厚度池壁；雙向板式水池池壁，一般做成等厚池壁；水平框架式水池池壁，一般做成階梯式變厚池壁。

3.4 地基承載力及抗浮穩(wěn)定性驗算

當水池基礎(chǔ)采用整體式底板時，一般可假設(shè)地基反力為均勻分布。地基承載力驗算公式為

式中，fa為修正后的地基持力層承載力特征值，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007—2002）的規(guī)定確定。

當水池底面標高在地下水位以下，或位于地表滯水層內(nèi)而又無排除上層滯水措施時，地下水或地表滯水就會對水池產(chǎn)生浮力。當水池處于空池狀態(tài)時就有被浮托起來或池底板和頂板被浮力頂裂的危險。此時，應對水池進行抗浮穩(wěn)定性驗算。

1）水池整體抗浮穩(wěn)定性驗算

3.5 水池計算

矩形水池的計算要點有以下幾個方面：對于地上式水池，需考慮池內(nèi)滿水和壁面溫差效應；對于地下式水池，需考慮池內(nèi)滿水、池外無土和池內(nèi)無水、池外有土2種工況。池壁及底板的受力性質(zhì)主要分為受彎、偏心受拉和偏心受壓3種情況。當池壁池底處于受彎、大偏心受壓或大偏心受拉時，池壁及底板允許出現(xiàn)裂縫，按受彎構(gòu)件進行裂縫寬度驗算。當池壁池底處于小偏拉時，不允許出現(xiàn)裂縫，按軸心受拉構(gòu)件進行抗裂度驗算。無頂蓋擋土墻式水池采用分離式底板時，應驗算池壁的抗傾覆穩(wěn)定性及抗滑移穩(wěn)定性。采用整體式底板的地下式矩形水池，當?shù)叵滤桓哂诘装宓酌鏁r，應進行抗浮驗算。

對于擋土（水）墻式水池，遵循下列設(shè)計步驟：

1）初步估算池壁底端的厚度，基礎(chǔ)底板的厚度一般選成與池壁底端厚度相同；

2）選定基礎(chǔ)的寬度和它伸出池壁以外的寬度；

3）按所選的池壁及基礎(chǔ)截面驗算穩(wěn)定性及基底土體應力；

4）計算池壁和基礎(chǔ)的內(nèi)力及配筋，并驗算裂縫。

2）水池局部抗浮穩(wěn)定性驗算——僅對池內(nèi)有中間支柱的封閉式水池

4 鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)的施工

4.1 施工縫技術(shù)要點

水池底板一次澆筑完成，底板與池壁的施工縫在池壁下八字以上150～200mm處，底板與柱的施工縫設(shè)在底板表面。水池池壁豎向一次澆到頂板八字板以下150～300mm處，該處設(shè)施工縫，柱基、柱身及柱帽分兩次澆筑，第一次澆到柱基以上100～150mm，第二次聯(lián)通柱帽一起澆至池頂板下皮，池頂一次完成。

4.2 鋼筋混凝土施工技術(shù)要點

首先對施工縫進行鑿毛處理。當池壁根部混凝土強度達到2.5MPa時開始鑿毛，鑿毛應用剁斧或尖錘輕錘將混凝土的不密實表面及浮漿鑿掉露出新茬，鑿毛過程中要注意保護混凝土的棱角，不要將粗集料剔出。

池壁鋼筋綁扎時應重點控制好內(nèi)外層鋼筋的凈尺寸，為此可采用排架或板凳筋作法。

對正常厚度的池壁，池壁模板一次支到頂板腋角以下200～300mm左右。

4.3 池壁混凝土澆筑

混凝土澆筑平臺與池壁模板連成一體時，應保證池壁模板的整體穩(wěn)定，避免模板振動變形而影響混凝土的硬化。施工縫應事先清除干凈，保持濕潤，但不得積水。澆筑前施工縫應先鋪15～20mm厚的與混凝土配合比相同的水泥砂漿，與混凝土的澆筑的間隔時間不應過長。池壁混凝土應分層澆筑完成，每層混凝土的澆筑厚度不應超過400mm，沿池壁高度均勻攤鋪，每層水平高差不超過400mm。池壁的混凝土澆到頂部應停1h，待混凝土下沉后再作2次振動，消除因沉降而產(chǎn)生的頂部裂縫。澆筑后的混凝土應及時覆蓋和灑水養(yǎng)護。

4.4 混凝土養(yǎng)護要求

夏季澆筑的混凝土，如養(yǎng)護不當，會造成混凝土強度降低或表面出現(xiàn)塑性收縮裂縫等，因此，必須加強對混凝土的養(yǎng)護?；炷脸跄罅⒓催M行養(yǎng)護，連續(xù)養(yǎng)護14d以上。池壁在澆筑混凝土14d后方可拆模，養(yǎng)護時池壁頂設(shè)置灑水管，應確保各部位池壁濕潤到位。池底板及頂板澆筑完畢后的12h以內(nèi)對混凝土加以覆蓋并保濕養(yǎng)護。當完成規(guī)定的養(yǎng)護時間后拆模時，最好為其表面提供潮濕的覆蓋層，池外及時回填土。

5 結(jié) 語

水池作為特種結(jié)構(gòu)，其設(shè)計具有特殊性，但是也可簡化成我們熟悉的工程模式進行設(shè)計。只有全面了解水池各構(gòu)件的組成及聯(lián)系，才能更好的對其進行簡化，以形成較為正確的計算模式。同時，將工程實踐中的實例反饋到設(shè)計中，不斷填充設(shè)計依照的工程案例，增強工程設(shè)計的科學性和實踐性，以便于以后更好地服務(wù)于實際工程。此外，也需要高度重視施工階段，只有設(shè)計與施工緊密相結(jié)合，才能設(shè)計出更為科學合理、經(jīng)濟安全的水池結(jié)構(gòu)。

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