淺談市政建設(shè)中鋼筋混凝土水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院廣州分院 廣東廣州

摘要：本文分析了鋼筋混凝土水池荷載情況，以矩形鋼筋混凝土水池為例探討了結(jié)構(gòu)形式和荷載計(jì)算情況，并對(duì)施工中需要注意的技術(shù)要點(diǎn)做好分析介紹，希望能為市政建設(shè)中鋼筋混凝土水池的設(shè)計(jì)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土水池；荷載；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；施工

混凝土水池是排污工程、環(huán)保工程中的常用構(gòu)筑物，隨著近幾年來國家積極治理污染、提倡環(huán)保節(jié)能力度加大，水池設(shè)計(jì)與施工的要求也越來越高。鋼筋混凝土水池作為經(jīng)濟(jì)性和耐久性都較佳的設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用到各類市政工程建設(shè)中，無論是水池設(shè)計(jì)的體積還是難度都逐漸增大，也給施工與設(shè)計(jì)帶來了難度[1]。下面我們針對(duì)市政建設(shè)中鋼筋混凝土水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工做簡(jiǎn)要分析。

一.鋼筋混凝土水池荷載分析

鋼筋混凝土水池根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、建造位置、形狀、施工方法、配筋方式等有多種分類。水池的池壁也有多種結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)荷載分布情況可分為變厚池壁和等厚池壁，等厚池壁還可分為圓形與矩形，二者區(qū)別在于體積大小，前者容量200m3左右，后者200-1000m3，變厚池壁則主要適用于容量>1000m3的水池。根據(jù)用途和施工工藝，水池的池底也有諸如倒球殼、倒錐殼等多個(gè)復(fù)雜形式。比如倒錐殼和倒球殼具體示意圖見圖1。

圖1 水池倒錐殼和倒球殼池底示意圖

水池承受荷載豎向有池頂與池底荷載兩種，水平則為池壁荷載，具體示意圖見圖2。像池頂荷載計(jì)算時(shí)需要注意活荷載與雪荷載取最大值的篩選準(zhǔn)則。池底何在相對(duì)整體式地板而言，荷載計(jì)算為地下水浮力與地板承受地基反力，效果為底板中產(chǎn)生彎矩與剪力。

圖2 作用在水池上的主要荷載示意圖

池壁荷載為水壓力與土壓力共同作用，壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

池壁土壓力按照主動(dòng)土壓力計(jì)算，外側(cè)壓力呈梯形分布，頂端外側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式為：

池壁地段外側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算公式根據(jù)有無地下水分別如下，無地下水時(shí)計(jì)算公式為：

有地下水時(shí)計(jì)算公式為：

除去上述荷載之外，對(duì)水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的作用力還有諸如溫度、濕度與地震作用等。溫度與濕度的變化會(huì)導(dǎo)致混凝土膨脹或收縮變形，產(chǎn)生附加應(yīng)力，也稱為溫度或濕度應(yīng)力，導(dǎo)致這種應(yīng)力產(chǎn)生的原因?yàn)樗貎?nèi)外溫度與濕度的差異[2]。地震作用會(huì)破壞水池結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)時(shí)需鹽酸水平地震作用，從而達(dá)到良好的抗震效果，低于一定烈度下的地震作用。設(shè)計(jì)時(shí)目前多以7度、8度以下地震烈度為考量，多選擇地面式或者地下式水池，對(duì)于有頂蓋的矩形水池著重采取抗震構(gòu)造措施。在地震烈度>8度時(shí)除去考慮水平地震效應(yīng)外，還必須考慮豎向地震作用影響，通過平方與開平方的方法計(jì)算組合獲得結(jié)果。目前水池的荷載計(jì)算主要方式主要依據(jù)池內(nèi)有無滿水、池外有無土進(jìn)行組合計(jì)算。

二.混凝土水池設(shè)計(jì)

在分析完混凝土水池荷載情況之后，在水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮這些荷載作用。下面我們以矩形鋼筋混凝土水池為例做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

首先，完成長(zhǎng)高比池壁的計(jì)算假定。側(cè)向荷載作用下，水池不同長(zhǎng)高比受力情況有所差異，根據(jù)池壁單向與雙向受力情況做劃分，具體見表1。

表1 單向與雙向受力劃分標(biāo)準(zhǔn)

邊界條件比值受力情況

四邊支承 時(shí)單向計(jì)算，板端部分雙向計(jì)算，處視為自由端

雙向計(jì)算

單向計(jì)算，考慮角隅效應(yīng)

時(shí)單向計(jì)算，底部部分雙向計(jì)算，處視為自由端

三邊支承，頂端自由 雙向計(jì)算

單向計(jì)算，考慮角隅效應(yīng)

水池結(jié)構(gòu)的布置要符合設(shè)計(jì)原則，像矩形水池均為長(zhǎng)方形，布置時(shí)要考慮地形。基礎(chǔ)形式為擋土墻水池基礎(chǔ)多采用池壁下設(shè)置帶形基礎(chǔ)，地板采用鋪砌式結(jié)構(gòu)，地板做成整體式，水池基礎(chǔ)為水平框架式和雙向板式。

伸縮縫的設(shè)置上要考慮建造位置，比如土基中矩形水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤20m，溫度區(qū)間段≤20m，巖基中間隔≤15m；比如建造在土基中的鋼筋混凝土矩形地下式水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤30m，巖基中間隔≤20m。

水池池壁結(jié)構(gòu)形式的選擇情況如下：開敞式水池宜選擇變厚池壁，池底厚度為池壁的1.5倍；擋土墻式選擇等厚池壁；水平框架式池壁選擇變厚池壁。遵照以上設(shè)計(jì)原則，水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)保持合理性與穩(wěn)定性，利于施工。

水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，關(guān)于水池的地基承載力和抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算至關(guān)重要。假設(shè)水池基礎(chǔ)選擇整體式地板，地基反力均勻分布的情況下承載力驗(yàn)算公式為：

+ + +

代表修正后地基承載力特征值。當(dāng)池面標(biāo)高低于地下水位或者地表滯水層無排水措施，水池會(huì)受到來自二者的浮力，空池時(shí)則有被托浮起來的或頂裂池底板的危險(xiǎn)，因此需要進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，具體情況可根據(jù)水池整體和局部做出計(jì)算。

水池整體抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算公式：