鋼筋混凝土水池設計中的裂縫控制

夏立立

摘要：在給排水及環境工程等建設項目中，鋼筋混凝土水池成為設計的主要內容。考慮到水池的抗滲防裂性能對其正常使用及運轉有著至關重要的作用，水池的結構設計必須重視裂縫的控制。文章對鋼筋混凝土水池設計中的裂縫控制進行了探討。

關鍵詞：鋼筋混凝土；水池設計；裂縫控制

鋼筋混凝土結構在受力狀態下出現裂縫是一種普遍存在的現象，如混凝土因荷載作用下的拉應力、或是溫度收縮引起的拉應力等而出現的裂縫等。一般而言，在普通的鋼筋混凝土結構中要求完全避免出現裂縫，是不現實也是完全沒有必要的。為了在水池結構設計中做好裂縫控制工作，有必要先對水池中易發生破壞性裂縫的各種情況作一了解。

一、水池裂縫的成因

1、荷載作用造成的裂縫

當結構在外部荷載（各種恒、活載；水、土壓力；地基反力等）作用下，因受力性能不足，產生了過大變形，使裂縫發生并發展為破壞性裂縫。這種由荷載作用造成的裂縫的產生，主要是由于設計時采用的基礎資料有誤或是設計中考慮不周、計算疏忽等失誤造成。

2、混凝土收縮造成裂縫

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升，在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，由于受到支座或原有混凝土的約束，又會在混凝土內部出現拉應力。因此，水池結構中的混凝土早期收縮裂縫主要出現在裸露表面，混凝土硬化后的收縮裂縫出現在結構件的中部附近較多。

3、溫度變化引起的裂縫

氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力，有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力，當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時即會出現裂縫。這種裂縫一般只在混凝土表面較淺的范圍內產生。

4、由于材料質量造成的裂縫

混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質脆性材料。要避免水池結構產生破壞性裂縫，混凝土用料是否適當及材料質量能否保證，起著重要的作用。

二、水池設計中的裂縫控制

鋼筋混凝土水池在非荷載下的裂縫與設計、原材料、施工等幾方面息息相關，影響因素多而復雜，設計時考慮施工措施，并和施工單位密切配合，通過對設計過程和施工過程的雙重控制，對水池的裂縫控制一定可以取得令人滿意的效果。

1、荷載作用裂縫的控制

荷載作用裂縫的控制，即在水池設計過程中對水池各部位可能產生最大拉應力截面的裂縫進行計算分析和驗算，使之滿足裂縫寬度限值。完整、準確的設計基礎資料是避免荷載作用裂縫的重要保障。如地下水位、土層情況均會影響水池的設計水土壓力；基礎持力層特性直接影響池體沉降以及變形情況等等。在存在完整、準確的設計基礎資料的基礎上，合理的計算模型和合理的荷載組合是確保計算結果與水池的實際受力狀態一致的重要保障。在水池的設計階段應注意以下問題：（1）合理的地基假定。基礎梁和板計算過程中應選擇合理的地基假定，目前常用的計算水池地基反力的假定有地基反力直線分布假定、文克爾假定、半無限彈性體假定，但三者的計算結果誤差較大。為此，在選擇假定時應綜合考慮假定的適用條件以及水池實際受力情況。（2）合理的支座假定。水池各板連接部位的支承條件決定了各構件的支座假定，合理的支座假定才能保證計算結果的正確。（3）正確的最不利工況組合。在進行荷載組合時對施工、試水、檢修階段的荷載較容易疏漏。（4）極端溫差出現的部位及取值是否有誤等。具體設計過程如下：（1）結構方案的初步確定；（2）對初定結構方案進行初步的計算分析，根據計算分析結果對初定結構方案進行調整，盡量使水池結構體系合理、結構受力明確、經濟合理、安全可靠；（3）對調整后的結構方案進行詳細的力學計算分析，確定最不利工況下各控制斷面的內力設計控制值；（4）進行截面配筋設計，同時還有確定需要進行裂縫控制設計的構件；（5）根據構件受力性質進行抗裂度驗算或對裂縫開展寬度驗算。裂縫的控制可以通過調整配筋率、鋼筋規格、混凝土標號、構件截面尺寸來實現。

2、混凝土收縮和溫差造成裂縫的控制

控制這類裂縫首先水池結構所使用的混凝土配合比、用料的規格和級配應滿足規范要求，同時混凝土灌筑和養護除應滿足規范要求外還應提出符合實際情況的設計要求。對于大型水池則可設置伸縮縫、摻添加劑和設加強帶、后澆帶等措施對裂縫進行控制。此類裂縫的控制首先應根據規范規定，嚴格掌握混凝土配比及其用料的品種規格和級配，同時，對混凝土灌筑和養護提出設計要求。另外，對大型水池可采取設伸縮縫、摻添加劑和設加強帶、后澆帶等措施。下面著重討論大型水池的裂縫控制。根據現行規范要求，現澆鋼筋混凝土水池在基底為土基時，應每隔20m（地面式）或30m（地下式或有保溫措施）設一道伸縮縫，當為巖基時減為15m和20m，當為裝配整體式時可加長5～10m。按此構造，一般能解除中面季節溫差產生的溫度應力并消減混凝土收縮的影響。由于變形縫的設置需要采取嚴密的構造措施來保證，對節點處理、施工及材料等都有相當高的要求，其中任何一個環節的問題，都會造成較嚴重的后果。規范規定，當有經驗時，可在混凝土中施加可靠的外加劑或設后澆帶，減少其收縮變形，從而放寬伸縮縫的最大間距限制。在一些大型水池的設計中，已開始越來越多地采用摻加添加劑、增設加強帶、后澆帶的方法，以減少或取消伸縮縫。摻加添加劑主要是為了增強混凝土的均勻密實性能并消減混凝土自身結硬過程中的收縮變形。

3、材料質量和構造不良造成裂縫的控制

在《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》中，對水池結構所使用的混凝土強度、混凝土的抗滲等級、混凝土的抗凍等級、混凝土的水灰比、混凝土的堿含量、混凝土熱工系數等作了相應的規定，在水池的設計過程中除應遵守規范要求外還應對實際項目提出更為明確、具體和嚴格的要求。合理可靠的構造對裂縫的控制至關重要。合理的構造措施能夠使水池計算模型與其實際受力情況相一致，確保計算的準確性。對于影響到整個結構體系的問題，一定要從確定結構方案起，就考慮好相應的構造措施。理想的計算模型必須有可靠且可行的構造措施來保證，而當難以實施相應的構造措施時，應調整計算模型使之符合實際受力情況。具體注意三個方面：首先，澆筑混凝土不應使用過期水泥或由于受潮而結塊的水泥，否則將由于水化不完全而降低混凝土的抗滲性和強度。其次，水灰比越大則混凝土中多余水分蒸發后形成的毛細孔也就越多，這些孔隙是造成混凝土開裂的主要原因。砂石粒徑不均勻、級配不良、粗骨料粒徑過大且含量過高、含泥量過高，都會降低混凝土的和易性和密實度，易使裂縫產生和發展。另外，水池混凝土中采用的外加劑也應滿足一定的要求，以免影響混凝土的抗裂性。

4、溫度變化引起的裂縫的控制

盡量選用低熱或中熱水泥；減少水泥用量；降低水灰比；改善骨料級配，摻加粉煤灰或高效減水劑等來減少水泥用量，降低水化熱；改善混凝土的攪拌加工工藝；在混凝土中摻加一定量的外加劑；高溫季節澆筑時采取合理控溫措施；要合理安排施工工序；加強混凝土養護。

結論

綜上所述，水池設計中的裂縫控制貫穿設計的整個過程。從完整準確收集相關的基礎資料開始，到采用合理的結構受力體系、準確細致的分析計算、全面可靠的結構截面設計與構造措施，直至最后的復核出圖，對實現設計全過程的裂縫控制都非常重要。同時，設計中也要對材料的使用和水池的施工養護提出明確要求，以避免引發裂縫。在設計中只有盡可能多地考慮到裂縫可能產生的因素，并通過各種措施消除隱患，才能最大限度地避免水池產生破壞性的裂縫。

參考文獻

[1]GB50069—2002 給水排水工程構筑物結構設計規范[S].

[2]汪正榮.建筑施工工程師手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.