钢筋砼地下水池结构设计

提 要：就地下矩形水池设计中的承载力极限状态和正常使用状态下的荷载取值、材料要求、构造规定等做一总结。

关键词：荷载取值 池壁板计算 耐久性要求 构造配筋

一设计概述：

随着我国经济的发展，水资源的短缺问题已成为日益严重的社会问题，政府部门非常重视对污水的处理再回收工作。各种污水处理工艺迅速发展，这就需要土建专业与之密切配合，满足其需要。砼水池作为特种混凝土结构，与常规的砼结构在设计、构造要求上基本类似但也有所区别，既要保证极限承载力要求下的构件强度要求，还应满足正常使用状态下变形，裂缝和耐久性等要求。在设计中池体按常常组成单元分解成单、双向受力板；圆柱壳、圆锥壳、拱壳及其组合壳体考虑。受力情况较复杂，有内外部的水压力、土压力、温湿度作用、地面车辆轮压、流水压力、融冰压力、地基不均匀沉降等多种工况相互组合。作为储水结构，其耐久性和防裂缝的控制更为重点控制内容。一般项目水池结构设计使用年限50年，重要性等级二级即可。依据和参考指令性设计规范和规程主要有

《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002

《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》GB50032-2003

《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS138:2002;

《给水排水工程结构设计手册第二版》也可做设计参考。

按结构形式受力情况水池可分现浇式、装配式；按壁板与顶板连接情况分为板顶自由式、板顶铰接式、板顶固接式；按顶板支撑情况分为梁板式，无梁板式；按水池形状分为圆形池，矩形池。现浇矩形水池使用灵活应用较广较为常见，但其受力也较复杂。下面仅矩形水池设计分析介绍如下。

二荷载取值：

确定水池所受荷载是计算其受力情况的关键，一般水池侧壁所受的侧压力有土压力、水压力，车辆轮压和堆载。荷载简图如下

可分为池内有水池外无土和池内无水池外有土两种最不利工况考虑。

i)池内有水池外无土：

当试水时发生本工况，池内最高水位即为最大荷载。水容重一般取10KN/m3,污水宜11 KN/m3；

ii)池内无水池外有土或地下水：

这时土压力一般按主动土压力计算。根据土质情况采用库伦或郎肯土压力模型计算。实际应用中常采用郎肯土压力模型见公式1，虽然结果较库伦大，但应用方便，故广泛应用。

Fep.k=侧向土压力标准值

Z----------自地面至计算截面处的深度；

φ------回填土的内摩擦角，根据土工试验确定，当无实验数据时可取30°。

当有地下水时还应考虑其影响，此时土的浮重度取10Kn/m3。

当水池埋入地下，其上覆土荷载可按下式计算

Fsv,k=nsγsHs （2）

Fsv,k----------单位面积上的竖向土压力标准值

γs--------回填土的重力密度，取18KN/m2；如有地下水，取10KN/m2。

Hs-----------顶部覆土高度；

ns------------竖向土压力系数，如顶板长宽比大于10，取1.2，其它1.0。

如池顶考虑行车，应根据车轮压力，考虑覆土的扩散作用折算成荷载。

堆载：

一般取值为10KN/m2然后按土力学要求计算其作用。

三 池壁板计算

•池壁水平计算：

计算长度为两端墙中心线距离；竖向计算高度应根据与顶板、底板连接方式整体分析。当底板厚等于1.2~1.5倍壁板厚时可视为壁板固接於底板。弹性连接时壁板竖向计算长度等于净高加板厚的一半；固接、铰接、自由端时壁板竖向计算长度等于净高。然后按壁板单元高宽比H/L可分为深池H/L>2，浅池H/LH/L>0.5；

从而得到计算简图后根据静力计算手册或《给水排水工程结构设计手册第二版》得到板的弯矩剪力值。

•底板的计算：

底板承受来自上部的重量的反力，当有地下水时还有水的浮力作用。板垮L≤4m,底板可按直线分布荷载计算；板垮L≥4m宜按弹性地基反力假定计算。底板实际常做简化计算，外池壁视为底板的铰支座，按此模型得到底板跨中弯矩后，将壁板计算所得弯矩叠加到底板支座处从而得到支座处弯矩值。

•顶板计算：

如顶板不大，直接支撑于四周池壁时，板视壁板的刚度按简支或固接单（双）向板计算。如板跨较大，池中宜设中柱，顶（底）板采用无梁楼板结构减小顶板与底板的计算跨度，得到较为经济合理的配筋结果。此时柱间距宜3~4m左右。

•温湿度计算；

除地下、有外保温或按构造规定设伸缩缝的水池可不考虑温湿度作用。其它暴露在大气中的壁板应考虑砼表面温差作用，温湿度不用同时考虑，受环境影响很大，实际应用中污水温度接近常温与大气温度差别不大，常用增加配筋率等构造措施解决。

Δt-----壁板的内外侧壁面温差(℃)

h----壁板的厚度（m）

λc------混凝土壁板的导热系数。

β-------混凝土壁板与空气间的热交换系数。

T------壁板内侧水的计算温度，按年最低月的平均水温采用。

Td-----壁板外侧的大气温度，按当地年最低月的统计平均温度采用

四 耐久性要求：

一般水池的合理使用年限为50年，常年埋入地下，应根据环境条件判断地下水、污水对混凝土、钢材的腐蚀等级，采用相应措施保证砼质量，砼的抗渗性，抗冻性，防止污水泄漏对周围环境的影响

1）保证砼质量

结构受力构件的砼强度等级不低于C25;且不低於砼在行规范中砼耐久性所要求的参数

砼中水泥宜采用普通硅酸盐水泥；

砼中骨料级配良好，水灰比不大于0.5；

砼内宜惨加膨胀剂，常用明矾石，硫铝酸钙、氧化钙等，用量应满足砼外加剂规范要求，一般控制在水泥用量12%以内；

根据环境因素控制砼中氯和碱含量；

2）抗渗性应符合下表：

水头与构建厚度之比 30

抗渗等级Si S4 S6 S8

注：i为龄期为28天砼试块在ix102Kpa水压下满足不渗水要求；

实际应用时抗渗等级不低于S6.

3）抗冻性应符合下表要求：

对于最冷月平均气温低于-3℃地区的外露无保温水池，其砼部分应满足：

Fi为20天构件，在i次的冻融循环次数后，其强度降低不大于25%，重量损失不大于5%。

为提高抗冻性，在砼中惨加引气剂。

4）保证耐腐性

水池各部位受力主钢筋的砼保护层最小厚度见下表：

如部位有水泥砂浆或涂料保护时，砼保护层厚度可酌减。笔者认为5mm为宜。

五构造配筋：

水池构件除按受力情况计算钢筋值和验算裂缝满足要求后，为防止其它因素影响要求每米宽度的墙、板内，数量不宜小于5根，且不宜大于10根。最小配筋率要求与混凝土设计规范要求相同，一般水池的受力钢筋的经济配筋率以控制在0.3%~0.8%。对于构造钢筋《给水规范》中要求当构件截面不大于500mm时，其里外侧构造钢筋配筋率至少0.15%，当截面大于500mm时，其里外侧可按500mm厚截面配0.15%的构造钢筋。池壁拐角处钢筋，应有足够锚固长度锚入相邻的墙壁内；锚固长度应自墙壁的内侧面算起。受力钢筋的接头应优先采用焊接接头，非焊接的搭接接头应设置在构件受力的最小处。墙壁的拐角及于顶、底板的交接处，宜设置腋角，腋角的变宽不应小于150mm，并应配置构造钢筋，一般可按墙或顶、底板截面内受力钢筋的50%采用。

六伸缩缝和施工缝

由于混凝土材料在环境温湿度变化下热胀冷缩，且矩形水池约束较多应力复杂，目前不能简单通过计算得出所受影响大小所以当水池尺寸不满足规范要求时最好设置伸缩缝。缝处的防水构造应由止水板材，填缝材料和嵌缝材料组成。止水板材多采用橡胶止水带，止水带与构件砼表面的距离不宜小于止水带埋入混凝土内的长度，当构件厚度较小时，宜在缝得端部局部加厚，并宜在加厚截面的凸缘外侧设置可压缩性料。

填缝材料通常采用发泡橡胶、发泡塑料或软木质材料。

封缝材料重用注入器施工，其材料常见聚硫橡胶、聚氨酯和硅胶封缝料。为防止封缝材料不致黏在填缝材料上，影响封缝材料变形，二者之间应设隔离层，多用油毡纸。

对于施工缝，此位置经常由于施工不力出现渗水问题，是整体质量的薄弱环节应引起足够重视。要求避免设置在受力较大处，池壁处施工缝常设在加腋以上100~150mm位置，考虑到施工方便止水板材常用紫铜、不锈钢等刚性材料，当然橡胶止水带等柔性材料也可采用，但须用水泥钉将其与砼池壁固定牢。二次浇注前注意对施工缝得清扫，连接处砼凿毛处理，并浇水湿润。

七结语

充分掌握水池的设计特点，鉴于其所处的环境因素特点，采用正确的计算模型，选用合适的结构方案。同时必须重视对水池耐久性和构造要求，才能全面提高设计质量做出安全可靠，经济合理的产品。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文