談鋼筋混凝土矩形水池側壁結構設計

林曉偉 張書濤 李明森

(1.中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300131；2.大慶石化公司煉油廠污水車間，黑龍江 大慶 163714； 3.遼寧男票煤電有限公司煤矸石熱電分公司，遼寧 葫蘆島 125127)

1 工程概況

本工程為天津市某公司污水處理工程中的一級沉淀池。該結構為敞口多格地下矩形水池。水處理池為鋼筋混凝土特種結構,它由各種類型的池壁、底板等單元構件組成,結構形式和荷載條件比較復雜。

2 荷載統計、內力計算及兩種結構方案

一級沉淀池屬于多格水池,池高H=6 m,側壁L1=12 m,側壁L2=9 m,如圖1所示。

本文以側壁L1為例進行闡述，根據施工和使用階段確定,有下列兩種工況需要考慮:

施工試水階段(有水無土):池內滿水側壓力+溫度荷載;

使用檢修階段(有土無水):土的側壓力+溫度荷載。

水處理池埋入地下不考慮溫度荷載的作用。無論在施工試水階段還是在使用檢修階段,有水無土,有土無水,池壁都視為偏心受拉構件。根據水處理池池壁的高寬比和池壁的約束條件選取池壁的計算系數。敞口水處理池池壁頂端無約束為自由端,池壁與池壁、池壁與底板的約束為固定端。本文將闡述施工試水階段對池壁側壁(L1)的計算中兩種方案的比較。

側壁的內力及強度計算:

荷載計算(水側壓力):q=1.2γhl=1.2×10×6×1=72 kN/m(γ為水的比重,10 kN/ m3)。

2.1 方案1:中間不設扶壁方案

中間不設扶壁圖見圖2。

L1/H=12/6=2,側壁在三角形水平荷載作用下,壁板為三邊固定一邊自由的矩形板,Lx=12 m。水平向角隅處存在內部負彎矩,可按下式計算:

側壁的內力及強度計算:內力計算(彎矩以池壁內側受拉為正):

其中，Mx為池壁沿高度1 m截面,池壁角隅處的水平向彎矩,kN·m；mx為彎矩系數,-0.017 50，0.021 50；q為三角形荷載的最大值,72 kN/m。

Mx=-0.017 50×72×122=-181.44 kN·m,

My= -0.021 50×72×122=-222.9 kN·m。

截面計算:采用C30抗滲混凝土,HRB335級鋼筋,取壁板厚450 mm,污水水池混凝土保護層取40 mm，豎向受力鋼筋按控制裂縫寬度ξ=0.25 mm考慮,查《給水排水工程結構設計手冊》表2.3.2-96水平筋選取φ16@100,豎向筋選取φ18@100,滿足要求。可將1/4H水平和垂直范圍外的豎向鋼筋減少1/2,即水平筋選取φ16@200，豎向筋選取φ18@200。

2.2 方案2:設扶壁方案

設扶壁圖見圖3。

在池側壁外側設置垂向扶壁,扶壁間距根據工程的實際情況確定為4 000 mm。內力及強度計算:因L1/H=4/6=0.67,則側壁在水平荷載作用下,壁板可視為三邊固定一邊自由的矩形板,Lx=4 m。水平向角隅處存在內部負彎矩,可按下式計算:

側壁的內力及強度計算:內力計算(彎矩以池壁內側受拉為正):

其中，Mx為池壁沿高度1 m截面,池壁角隅處的水平向彎矩,kN·m；mx為彎矩系數,-0.041 63，0.419 1；q為三角形荷載的最大值,72 kN/m。

Mx=-0.041 63×72×42=-47.95 kN·m,

My=-0.041 91×72×42=-48.28 kN·m。

截面計算:采用C30抗滲混凝土,HRB335級鋼筋,取壁板厚300 mm,污水水池混凝土保護層取40 mm，豎向受力鋼筋按控制裂縫寬度ξ=0.25 mm考慮,查《給水排水工程結構設計手冊》表2.3.2-86水平筋選取φ12@100,豎向筋選取φ12@100,滿足要求。可將1/4H水平和垂直范圍外的豎向鋼筋減少1/2,即水平筋選取φ12@200，豎向筋選取φ12@200。

3 兩種方案對比

方案1施工簡單，模板用量小，但是池壁厚，混凝土和鋼筋用量大，方案2增加了兩道扶壁施工較方案1復雜，但是大大減少了混凝土和鋼筋的用量。但是目前好多水處理項目都是在現有化工廠進行提標改造設計，空間上有時不允許考慮增加扶壁的設計方案，所以大多工程項目還是采用方案1。

4 結語

根據實際條件選取合理的設計方案，達到工藝專業的要求，做到既經濟合理又安全可靠。水處理池結構設計除了根據工藝專業條件作內力強度計算外,還需要采取構造措施,來達到工程上水池的抗裂要求。通常較大水處理池側壁與側壁之間、側壁與底板之間采取構造加腋(八字角)，減小角隅應力。較大水處理池還通常采用伸縮縫或后澆帶來減少溫度裂縫的影響。同時為了使我們的設計方案更加合理，設計人員也應該掌握一定的施工知識。