淺談鋼筋混凝土矩形水池結構設計

陳漢輝

身份證號碼：441282198102270816 廣西省南寧市 530021

摘要：鋼筋混凝土矩形水池作為常見的特種結構類型，被廣范應用于工業與民用建筑的給水、污水、消防工程中。設計時，先要進行各種不同的荷載組合，其次要進行強度計算、抗裂度和裂縫寬度驗算等。只有這樣才能保證水池結構設計的技 術與經濟合理性。

關鍵詞：鋼筋混凝土；水池結構；結構設計

鋼筋混凝土矩形水池作為特種結構，被廣范應用于工業與民用建筑的給水、消防、排污工程中。鋼筋混凝土矩形水池（以下簡稱水池）池體結構一般由池壁、底板和頂蓋（是否封閉加蓋由工藝需要決定）所組成。然而水池結構的設計也有其特定的技術要求，如防腐抗滲等。

一、水池結構的設計

1.結構設計應符合的規定

各種結構類別、形式的水池均應進行強度驗算。根據荷載條件、工程地質條件和水文地質條件，決定是否驗算結構的穩定性。鋼筋混凝土水池應進行抗裂度或裂縫寬度的驗算。在荷載作用下，構件截面為軸心受拉或小偏心受拉的受力狀態時，應進行抗裂度驗算，在使用階段荷載作用下，構件截面為受彎、大偏心受壓或大偏心受拉的受力狀態時，應進行裂縫寬度的驗算。預應力混凝土水池還應進行抗裂度驗算。

2.荷載及荷載組合

（1）各種荷載。

水壓：現在習慣上將水池按滿水來計算水壓，這是因為：一方面很可能存在誤操作而造成滿池；另一方面今后工藝上有可能挖潛而超過原設計水位；土壓力：池外有填土的水池，土對池壁的側壓力通常用朗肯理論計算土的主動壓力；地下水壓力：地下水壓對水池底板的托浮力是威脅水池底板安全的一種主要荷載，設計時應予以重視，為了抵消地下水對底板的影響，在用無梁板作為底板時，其最經濟有效的辦法是以池底浮土來平衡，而采用增加結構自重的方法是不經濟的，當地下水位低于池底而不考慮地下水壓時，需采取措施排除地表滯水；溫、濕度荷載：由于環境的影響，造成結構物產生溫度或濕度的變化，從而引起結構物體積變化，當這種體積變化受到約束時，就會產生應力。

（2）荷載組合。

①水壓+ 自重。這是水池結構設計的基本組合。

②水壓+ 自重+ 冬季溫差。綜合溫差、濕差和水壓的共同作用，當壁面冬季溫差的絕對值大于夏季壁面濕差（化為等效溫差）的絕對值時，這種情況是最不利的組合。

③水壓+ 自重+ 濕差。綜合溫差、濕差和水壓的共同作用，當夏季壁面濕差（化為等效溫差）的絕對值大于冬季壁面溫差的絕對值時，這種情況是最不利的組合。

④土壓+ 自重。這是指池外有覆土的水池，當有地下水時還應包括地下水壓，這種組合是水池荷載的基本組合之一，當水池建成后運營前以及水池放空期間均屬此種荷載組合情況。根據上述幾種情況，可歸納為如下兩類：a.無覆土的水池，池壁的荷載應取上述四種組合的最不利情況求得內力。b.有覆土的水池，可不考慮② 和③ 兩種組合。

3.水池的構造要求

3.1水池的受力壁板和底板厚度不宜小于200mm，頂板厚度不宜小于150mm.當鋼筋混凝土水池采用構造底板時，底板厚度不應小于120mm，底板頂面應配置構造鋼筋，配筋量不宜小于每米5根直徑8mm的鋼筋。

3.2水池的最小保護層厚度應滿足給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程要求。

3.3鋼筋混凝土水池長度大于30m（室內或土中）或20m（露天）便需要設伸縮縫，縫寬20mm～30mm.伸縮縫應做成貫通式，在同一剖面上連同底板、頂板一起斷開。大型水池還需要設施工縫，主要作用是保證前后兩期施工混凝土的良好連接，水池施工縫的位置可設在底板與池壁連接斜托上部和池壁與頂板連接斜托的下部。

3.4 池壁、底板的受力鋼筋宜采用小直徑鋼筋和較密的間距，盡可能采用HRB335和RRB400級鋼筋。水池各部位的鋼筋間距應在100-250mm范圍內。如果鋼筋間距太密，會影響混凝土振搗，而鋼筋間距太大，容易產生裂縫。

2.5現澆鋼筋混凝土水池最容易在角隅處出現裂縫，因此必須在池壁轉角處、池壁與底板相交處設置“暗梁”、“暗柱”或設置腋角。敞口水池頂端也宜配置水平向加強鋼筋。根據規程第7.1.7條的規定要求，敞口水池在溫差或地基變形作用下池壁頂端是結構的薄弱點，宜設置暗梁，高度不得小于池壁厚度，內外側各配置不小于3根16的受力水平鋼筋。

4.水池計算注意問題

4.1 水池的邊界條件。

4.1.1水池的分類：當L/H>2時為淺池，當L/H<0.5時為深池，當0.5≤L/H≤2時為雙向板式水池.

4.1.2池體結構一般由池壁、底板和頂蓋（是否封閉加蓋由工藝需要決定）所組成。合理的選擇結構計算簡圖和計算公式才能保證結構設計的準確、可靠。水池內力分析計算時，盡量做到邊界條件的假定與實際情況相符。

4.1.3 敞口水池：水池頂板無約束時應為自由，水池與地板或條形基礎連接時均可視池壁為固端支承。池壁頂端以走道板、工作平臺、連系梁等作為支承結構時，應根據支承結構的橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為鉸支或彈性支承。

4.1.4 有蓋水池：當頂板為預制裝配板擱置在池壁頂端而無其它連接措施時，頂板應視為簡支于池壁，池壁頂端應視為自由端；當預制頂板與池壁有抗剪鋼筋連接時，該節點應視為鉸支承；當頂板與池壁為整體澆注并配有連續鋼筋時，該節點應視為彈性固定；當僅配有抗剪鋼筋時，該節點應視為鉸支承。壁板與池底或條形基礎連接時，可視池壁為固端支承，對位于軟地基上的水池，應考慮地基變形的影響，宜按彈性固定計算。當池壁為雙向受力時，相鄰池壁間的連接應視為彈性固定。

4.1.5比較敞口和有蓋水池壁板的邊界條件，設置頂蓋的池壁所承受的彎矩要小很多。因此當采用頂蓋結構有困難時，應盡可能從池壁挑出走道板。走道板滿足規程要求時，可以假定為不動鉸支承。當底板設為固定支承時，底板（基礎）厚度可根據土質情況取1.2～1.5倍池壁厚度，這是按照底板（基礎）剛度是池壁剛度的10倍左右，在一般情況下底板可起到固定作用。外挑的要求也同樣為了起固定作用。

5.2 荷載取值

5.2.1 池內水壓力。池內水壓應該按池內滿水最高水壓計算，這樣偏于安全。之所以不按給排水專業提的最高水位計算池內水壓，是因為水池施工完成后要進行水池試水。試水時水池內是滿水。另一方面，在日后的使用過程中，有可能工藝會進行技術改造因而超過原水位設計標高，這些都是應該考慮的因素，進而能使水池的設計滿足日后的各種需求。

5.2.2 池外土壓力。當有覆土時，要按照池壁上方有附加荷載來計算池壁土壓力.

5.2.3 池外水浮力。當地下水位標高在設計池底標高之上時，就應考慮地下水浮力的作用.同時，地下水對池體的浮托力絕對不容小視。由于地下水位未掌握好而引起結構選型錯誤及抗浮不夠等工程事故也時有發生。地質勘察報告所提供的地下水位一般僅反映勘測期間的地下水位情況。如果詳勘在當地枯水期進行，所提供的地下水位標高將無法被設計取用，或導致結構計算的失誤。根據實際情況，結合地方水文資料，確定一個合適的地下水位標高做設計地下水位，做到既保證使用階段結構安全和不利情況抗浮安全，又能降低工程造。水池自重（包括土體及上部結構自重，但不包括水自重）與水浮力的比值即抗浮抗力系數不應小于1.05.當抗浮系數小于1.05時，就應當采取相應措施增加水池自重。

5.3 底板內力計算模式的選擇

5.3.1對于池體容積小，短跨尺寸在6m以內時，計算底板內力可以按地基反力直線分布計算。一般情況下，直接作用于底板上的池內水重和底板自重與它們引起的那部分地基反力直接抵消，而不產生彎曲應力。只有由池壁和池頂、支柱作用在底板上的力所引起的地基反力才會使底板產生彎曲應力。

5.3.2 當池底為軟土地基或板的跨度較大，根據上一種計算模式，不考慮彈性地基上的底板在荷載作用下的彈性變形，也不顧及地基土的彈性沉陷，底板跨中的最大彎矩等于簡支底板的跨中彎矩加上池墻荷載底端的