水池結構設計特點及問題分析

【摘要】隨著城市化進程的不斷加快，人們和水的聯系越來越密切。市政給排水工程在城市建設中占據了重要的位置，而相應的結構設計直接決定了構筑物的安全使用性能及其壽命。隨著建設單位對結構設計優化意識的提高，這就對設計人員提出了更高的要求。因此，本文主要對市政水池結構設計特點及常見問題進行分析，并提出相應的解決方法。

【關鍵詞】水池;結構設計;特點;分析

1、水池結構設計特點

1.1 池墻設計

池墻采用理正結構工具箱進行計算，按強度和裂縫的要求進行配筋設計。池墻的水平向荷載包括：地下水壓，池外側土壓（包括地下水壓及地面活載影響）;垂直向荷載包括：池內水重和池外土重。為簡化計算，通常按池內水壓齊頂水壓計算。考慮荷載的不利組合為：①池內有水，池外無土;②池外有土，池內無水。

當四邊支承的壁板的長度與高度之比大于2.0或三邊支承，頂端自由壁板的長度與高度之比大于3.0時，其水平向應該考慮角隅彎矩的影響。

1.2 底板設計

底板計算按彈性地基反力假定，分為單向受力底板和雙向受力底板，通常順單向或雙向截取截條，按單跨或多跨連續板進行計算。單向受力底板計算簡圖如下圖所示：

當水池底板的長短邊比L1/L2≤2時，需采用雙向受力底板進行計算。以常見的污泥調理池為例，計算簡圖如下：

C 雙向受力板計算簡圖

1.3 抗震設計

水池結構應采用振型分解反應譜法進行地震作用計算。首先，應選擇合理的結構體系，再利用有限元軟件進行抗震分析。一般結構要驗算水平方向的地震作用，即構筑物的兩個主軸方向分別計算水平地震作用。

地震效應的基本組合，按下式計算：

結構構件的截面抗震強度驗算，應按下式計算：

2、水池結構設計常見問題分析

2.1 池墻頂部約束條件

問題：當池墻頂部存在走道板、工作平臺、連系梁等構件時，未考慮其作為池墻的支撐約束條件導致池墻配筋增大。

原因分析：根據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》的要求，當考慮池壁頂端的走道板、工作平臺作為池壁的支承構件時，應符合下列的要求：

a 板厚不宜小于20cm，并應對其橫向受力進行計算。

b 板作為池壁的彈性支承，其反力系數應按下式確定：

式中 αr─彈性支承反力系數;m─板的水平向計算跨度與池壁高度的比值;

HB─池壁高度;? b─池壁計算寬度，通常取b=1;

ng─板的橫截面慣性矩與池壁截面慣性矩的比值。

c當符合下式要求時，走道板或工作平臺可以視為池壁的不動鉸支承：

2.2 池墻與柱協同工作

問題：某地下室外墻按三邊支撐，頂端自由的雙向板設計（例如送水泵房），框架柱作為支撐邊，承受的水平作用未考慮。

原因分析：地下室外墻作為雙向板模型計算時，應復核作為地下室外墻側向支撐的地下室壁柱的截面及配筋，如果承載力明顯不滿足要求，則應必須修改。

根據規范要求，三邊固定、頂端自由的雙向板，在均布荷載或三角形荷載作用下的邊緣反力，可按照下式進行計算：

得到柱上的水平邊緣反力，再復核框架柱在此反力下的配筋大小。

2.3 池墻角隅彎矩

問題：當計算單向板受力懸臂端池墻時，忽視兩側水平端的角隅彎矩的存在，造成配筋偏小，結構存在安全隱患。

原因分析：當池墻作為單向受力板進行計算時，模型中兩側水平段彎矩不計入，而實際會有角隅彎矩的存在，造成端部開裂。

根據《水池》規程，當四邊支承壁板的長度與高度之比大于2.0或三邊支承、頂端自由壁板的長度與高度之比大于3.0時，其水平向角隅處的局部負彎矩應按下式計算：

2.4 水池抗浮設計

在實際工程中，造成水池上浮的事故時有發生。究其原因，主要是以下幾個方面：a 抗浮設計水位設置不合理;b 整體抗浮滿足但局部抗浮不滿足要求;c 施工過程中降水措施不到位。前兩個可以在設計階段予以考慮完善，最后一個可以在施工階段保持降水不間斷，并使地下水位始終處于池體底板以下解決。水池常用抗浮措施包括：增加水池底板的厚度、水池底板外挑、保證回填土質量、增加覆蓋土量等增加水池自重的措施來提高水池的抗浮能力。

2.5 池墻鋼筋保護層厚度

問題：某地勘報告中顯示地下水對混凝土具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋、鋼結構具有微腐蝕性。在此場地新建一座后臭氧接觸池，池墻鋼筋保護層厚度取為35mm。

原因分析：根據《工業建筑防腐蝕設計標準》，池墻外側及地面以下結構環境類別為五類（弱腐蝕），池墻內側為五類（強腐蝕）。池墻鋼筋的混凝土保護層厚度應不小于50 mm。

2.6 水池抗滲抗凍

問題：某大型半地上水池設計過程中，未考慮凍融循環及溫度應力的影響，造成水池出現裂縫。

原因分析：大型露天水池需要全面考慮施工季節對結構的影響，減少溫度應力，且要科學添加化學添加劑，對其進行抗滲抗凍處理。

2.7 水池地基基礎

問題1：樁身混凝土強度應滿足樁的承載力設計要求，設計未驗算樁身強度。（下轉76頁）

（上接74頁）

原因分析：未驗算時，屬于設計深度不夠;明顯不能滿足要求時，按必須修改復核。

問題2：當樁周土層產生的沉降超過樁基的沉降時，在計算樁基承載力時應計入樁側負摩阻力，考慮單樁豎向承載力特征值應加入樁側負摩阻力作為檢測值。

原因分析：檢測值不必提高;計算單樁承載力特征值時，不考慮該土層;計算樁基承載力時，按樁側負摩阻力及其引起的下拉荷載扣除，詳見《建筑樁基技術規范》第5.4.4條。

問題3：設計未注明“處理地基上的建筑物應在施工期間及使用期間進行沉降觀測，直至沉降達到穩定為止”。

原因分析：依據《建筑地基基礎處理技術規范》第10.2.7條，設計應注明應此條規定。

2.8 池墻裂縫

問題：某強腐蝕環境類別中，裂縫寬度按0.20mm控制，池墻的受力鋼筋不宜小于12mm。

原因分析：根據《工業建筑防腐蝕設計標準》第4.2.4條及4.2.7條規定，在設計工業園污水處理廠及地下水、土有腐蝕性的建（構）筑物時，裂縫限值為0.15mm，鋼筋的最小直徑要求為16mm。

3、BIM技術運用

BIM技術近年來在市政水池結構設計中得到了廣泛的運用。設計人員通過三維信息模型，可以發現結構設計中的不合理之處，不同專業互相矛盾的地方，能夠更好地服務結構設計全過程。

BIM技術是一項先進的信息化技術，原則上可以取代原有的設計、施工和項目管理以及運維管理的各種軟件和工具，對項目的全過程生命周期產生巨大的價值。目前，BIM技術尚不能完全取代原有設計流程，但依據現有BIM技術，仍然可以提高水池結構設計的效率。

結語：

目前，市面上較多的設計軟件都可以對簡單及復雜水池進行結構計算及分析，設計人員應當使用不同的設計軟件對同一水池建立不同的模型，并分析不同結果的差異性，為水池結構設計提供更加經濟、合理的方法和建議。

參考文獻：

[1]CECS138：2002.給水排水工程鋼筋混凝土水池設計規程[S].

[2]文大鵬.淺談市政建設中鋼筋混凝土水池的結構設計與施工[J].黑龍江科技信息，2016（26）.

[3]高國棟.水池構筑物結構設計在給排水工程中的要點探究[J].住宅與房地產，2017（24）.

作者簡介：

蔣誠（1988-），男，工程師，碩士，主要從事市政結構設計工作。