钢筋混凝土水池的设计

摘要： 介绍了钢筋混凝土水池的设计方法。从水池的结构形式、水池的荷载、水池的计算模型、荷载组合及内力计算、水池构造要求几方面分析了水池设计的要点。

　　Abstract： This article describes the design method of reinforced concrete pools. It analyzes the design elements of the pool from several aspects including the pool structure， load， computing model， load combination and internal force calculation and structural requirements.
　　关键词： 水池;结构形式;荷载;模型;内力;构造
　　Key words： pool;structure;load;model;internal force;construction
　　
　　1  水池的结构形式
　　1.1 水池的分类  给水排水工程中的钢筋混凝土水池常用的平面形状为圆形或矩形。从用途上可分为两大类：一类是用池，如沉淀池、滤池、曝气池等;另一类是贮水池，如清水池、调节池等。按照建造在地面上下位置的不同，水池又可分为地下式、半地下式和地上式。按照结构类型可分为：敞口水池、有盖水池、无梁板式水池、双层水池、装配式水池等。按照配筋方式可分为：普通钢筋混凝土水池、预应力钢筋混凝土水池。
　　1.2 水池结构形式的选择
　　1.2.1 水池容积  实践经验表明，当容积在30000m3 以内时，一般圆形水池比容积相同的矩形水池具有更好的技术经济指标。圆形水池在池内水压力或池外土压力的作用下，池壁在环向处于轴心受拉或轴心受压状态，在竖向则处于受弯状态，受力比较均匀明确。而矩形水池池壁则为受弯为主的拉弯或压弯构件。因此池壁厚度常比圆形水池大。
　　1.2.2 场地条件  矩形水池对场地条件的适应性较强，如在山区狭长地带以及场地规划受限的水厂，矩形水池的场地优势明显。矩形水池的模板制作简单，对提高施工进度有一定帮助。
　　2  水池的荷载
　　2.1 池顶荷载  作用在水池顶板上的竖向荷载，包括池顶活荷载、顶板覆土重、顶板自重、雪荷载及其他荷载。
　　活荷载根据对构筑物要求考虑上人、临时堆放材料、局部设备荷载及车荷载等。一般情况下活荷载可取2.0kN/m2。局部设备荷载及车荷载需另计。
　　顶板覆土荷载需根据高程及场地地勘报告进行计算。一般情况下覆土重力密度可取18kN/m3。
　　雪荷载标准值应根据《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2012的全国基本雪压力分布图及计算雪荷载的有关规定来确定。
　　2.2 池底荷载  作用在水池底板上的竖向荷载，包括池壁传来的上部荷载、水池底板自重、池内水荷载、地下水浮力、地基反力等。池壁传来的上部竖向荷载包括顶板荷载与池壁自重。池内水荷载根据工艺要求确定，水重力密度一般情况下可取10kN/m3。
　　水池底面单位面积上的地下水浮力可按下式计算
　　P=r・h・η
　　P=水池底面单位面积上的地下水浮力（kN/m2）;r=地下水重力密度，可取10kN/m3;h=由水池底板算起的地下水高度;η=浮力折减系数，对非岩质地基取1.0;对岩质地基按其破碎程度确定。
　　2.3 池壁荷载  池壁荷载除池壁自重和池顶荷载引起的竖向压力和可能的端弯矩外，主要是作用于水平方向的水压力和土压力。
　　水池内壁水压力按三角形分布  Pw=r・h1
　　P=水池池底处侧向水压力标准值（kN/m2）;r =水重力密度，可取10kN/m3;h1=由水池底板算起的设计水位（m）。
　　水池外壁的荷载包括土压力、地面荷载引起的附加压力及地下水压力。当无地下水时，池壁外侧压力按梯形分布;当有地下水且地下水位在池顶以下时，以地下水为界，分两段按梯形分布。地下水位以下，应考虑对下水对土的浮力使土的重度降低，造成土的侧向压力减小。
　　池壁的土压力按主动土压力计算
　　Pe=re・H・ tg2（45°-？准/2）
　　地下水造成土的侧向压力减小
　　Ps=（re-r）・h2・tg2（45°-？准/2）
　　水池外壁水压力按三角形分布   Pw*=r・h2
　　地面活荷载引起的附加压力沿池壁高度为一常数
　　Pq=qk・tg2（45°-？准/2）
　　Pe=水池池底处侧向土压力标准值（kN/m2）
　　Ps=水池池底处侧向土压力减小标准值（kN/m2）
　　r=水重力密度，可取10kN/m3
　　re=土重力密度，可取18kN/m3
　　H=水池底板至地面的距离（m） 　　h2=水池底板至地下水位的距离（m）
　　qk=地面活荷载引起的附加压力（kN/m2）
　　？准=回填土内摩擦角，根据土工试验确定，缺乏实验资料可取30°
　　2.4 其他荷载
　　其他荷载包括温度湿度变化、地震引起的荷载。
　　壁面温（湿）差力矩  Mt=Eh2αtΔt/12（1-μ）
　　h=池壁的厚度;αt=池壁材料的温度线膨胀系数;Δt=壁面温（湿）差
　　3  水池的计算模型
　　3.1 池壁与顶板  对于敞口水池池壁和顶板为预制而搁置在池壁顶端且无连接措施时，池壁顶端应视为自由端。如果池壁与顶板整体浇筑，但仅设抗剪钢筋时，或当预制板与池壁顶端设有抗剪钢筋连接的情况下，池壁与顶板的连接应视为铰接。如果池壁与顶板整体浇筑，同时配置连续钢筋时，池壁与顶板节点应视为弹性固定，但是若池壁与顶板整体浇筑，并且池壁的线刚度与顶板线刚度比值>5时，相对于池壁来说顶板可视为铰接。
　　3.2 池壁与底板  当池壁底端满足：①底板外挑长度大于底板厚度。②底板外挑厚度大于池壁厚。③地基良好，地基土为低压缩性土时。池壁底端可视为固定支撑。否则应按弹性固定考虑。
　　3.3 池壁与池壁  矩形水池相邻池壁间的连接应按弹性固定考虑。在计算相邻池壁间弯矩时应进行不平衡弯矩的计算。
　　4  荷载组合及内力计算
　　4.1 地下式水池荷载组合  地下式水池在进行承载力极限状态设计时，需要考虑不同的荷载组合计算内力，主要有以下三种情况：①池内满水，池外无土。②池内无水，池外有土。③池内满水，池外有土。
　　第一种情况出现在回填土以前的试水阶段及闭水试验。其他两种情况是使用阶段的放空和满池时的荷载状态。无论选取哪种组合，始终存在结构自重。如果是第二、三种情况，应考虑活荷载和池外地下水压力。
　　4.2 地上式水池荷载组合  地上式水池进行承载力极限状态设计时，需要考虑不同的荷载组合计算内力，主要有以下两种情况：①池内满水。②池内满水及温（湿）差作用。第二种荷载组合中的温（湿）差作用应取壁面温差和湿差当量中的较大者进行计算。对于有顶盖的地面式水池，应考虑池顶活荷载。对于有保温措施的地面式水池，仅需考虑第一种荷载组合。
　　4.3 内力计算  ①顶板的计算可以参同钢筋混凝土楼盖的计算方法。圆形顶板水池，可根据支撑条件查静力计算手册。②底板计算按水池的结构形式确定。当池壁采用独立基础时，底板反力可按直线分布考虑;当水池为整体式底板时，应按弹性地基上的梁板计算内力。③矩形水池池壁的内力计算可先按单块矩形板进行计算，再根据相邻池壁的刚度进行弯矩分配求出板弯矩。圆形水池的池壁弯矩可根据支撑条件查静力计算手册。
　　5  水池构造要求
　　应该保证水池受力构件的混凝土强度等级高于C25;垫层混凝土强度等级应高于C10。一般来说，预应力水池的混凝土强度等级应高于C30，如果遇到预应力钢筋选用碳素钢丝、钢绞线等情况，应该保证混凝土强度等级应高于C40。
　　应保证水池混凝土密实性满足抗渗要求，而不需再做其他抗渗处理。根据试验确定混凝土的抗渗等级，如果最大作用水头与混凝土厚度的比值<10，应采用S4;如果比值在10～30之间应采用S6;如果两者比值>30，应采用S8。
　　当水池外露时，对最冷月平均气温在-3～-10℃的地区，混凝土抗冻等级应采用F150;对最冷月平均气温低于-10℃的地区，混凝土抗冻等级应采用F200。
　　如果水池接触介质的酸碱度低于6.0，应依照相关标准采取必要的防腐措施。
　　水池混凝土中禁止采用氯盐作防冻、早强掺合料，若需要适当的采用外加剂，在使用外加剂的过程中应该严格遵守相关规范标准的规定。
　　混凝土水池的受力壁板与底板厚度宜>20cm，预制壁板的厚度宜>15cm，顶板厚度宜>15cm。
　　混凝土水池受力钢筋的混凝土保护层最小厚度应符合表1的规定。
　　矩形钢筋混凝土水池的伸缩缝最大间距见表2，单位：m。
　　水池的变形缝应做成贯通式，顶板和底板在同一剖面上一起断开。可计算确定变形缝的宽度。伸缩缝的宽度>20mm;沉降缝的宽度>30mm。
　　止水带、填缝板和嵌缝材料组成了水池伸缩缝或沉降缝的防水构造部分。应保证止水带埋入混凝土内的长度大于止水带与构件混凝土表面的距离。如果构件厚度较小，需在缝的端部局部加厚。
　　若钢筋混凝土水池采用构造底板，宜使其厚度>120mm。底板顶面应配置构造钢筋，配筋量宜大于每米5根直径8mm的钢筋。
　　钢筋混凝土水池各个部位构件的受力钢筋，应满足以下要求：①受力钢筋的最小配筋百分率，应符合相关规范标准的要求。②受力钢筋宜采用直径较小的钢筋配置，数量宜控制在每米4-10根之间。
　　钢筋混凝土水池构件内的构造钢筋，应满足以下要求：①截面厚度≤50cm时，其里、外侧构造钢筋的配筋百分率均应高于0.15%;②截面厚度>50cm时，其里、外侧均可按截面厚度50cm配置0.15%构造钢筋。
　　现浇钢筋混凝土水池池壁转角处的钢筋，应有足够长度锚入相邻池壁或池顶内，锚固长度应自池壁的内侧算起。其最小锚固长度，应符合相关规范标准的要求。
　　6  结语
　　水池是给水排水工程中的重要构筑物，水池设计的合理性对给水排水工程的造价具有较大影响，合理的水池设计会使工程的经济性显著提高。
　　参考文献：
　　[1]GB5001-2010，混凝土结构设计规范[S].
　　[2]GB5009-2012，建筑结构荷载设计规范[S].
　　[3]王文栋.混凝土结构构造手册[M].中国建筑工业出版社