钢筋混凝土矩形清水池结构设计的探讨

摘要：清水池是水厂当中重要的构筑物之一，钢筋混凝土矩形清水池作为比较常见的水池设计形式广泛应用于清水池的结构设计当中，通过工程实例的分析，笔者提出钢筋混凝土矩形清水池结构设计中的关键问题与解决措施，特别是对清水池底板的计算方法进行了归类，并提出了对等代框架法计算底板的模型进一步简化的设想。关键词：清水池，保温，变形缝，地基反力假定中图分类号：TV331

文献标识码： A引言清水池是水厂当中重要的构筑物之一，钢筋混凝土矩形清水池作为比较常见的水池设计形式广泛应用于清水池的结构设计当中，以下通过工程实例来分析探讨钢筋混凝土矩形清水池结构设计中的关键问题与解决措施。1 工程概况该工程为某水厂扩建，需新建清水池共两座，尺寸均为15*39m，池内净高4.0m，池内设计最高水位3.5m。半地下式，埋深1.65m，地下水位在水池底板以下，池顶覆土0.5m，覆土重度取20KN/m2，池顶活荷载2.0KN/m2，池边活荷载10.0KN/m2，水池周边填土重度取18KN/m2，填土内摩擦角取φ=300。池内柱网间距3.0m，池内导流墙为混凝土砌块填充墙，池壁厚250mm，顶板厚150mm，底板厚300mm，设计使用年限50年，地基承载力f=110KN/m2。2 结构形式顶板形式为梁板式，池壁为单向板，底板为板柱结构。内力分析按承载能力极限状态和安全使用极限状态考虑。3 设计中的关键问题与解决措施3.1清水池设计方案的选择出于在检修清水池期间不间断供水使用的考虑，该工程共建有两座尺寸相同的清水池，在检修期间轮流使用。由于用地紧张，两座清水池紧靠在一起，针对该工程预备有两套设计方案：一是将两座清水池整体浇注，用一道隔墙分隔，基础底板连成整体承担两座清水池的重量；二是两座水池分别浇注，用两道池壁分隔开两座清水池，池壁之间设沉降缝，基础底板分开，分别承担一座清水池的重量。第一套方案优点是施工简单，节省材料，缺点是考虑到检修期会产生一个水池有水，另一个水池无水的状态，造成地基受力不均匀，此时易产生不均匀沉降，对清水池正常使用产生不利影响。故选择第二套方案，在两水池毗邻一侧的池壁之间使用沥青木板支模浇筑池壁混凝土，并将模板作为沉降缝填充物。3.2. 清水池的保温考虑到清水池在冬季使用期间，池内水体会结冻形成浮冰，当清水池内水体流动时，浮冰会对供水造成影响；其次外界温差变化，会使清水池表面产生裂缝，再有，室外无保温环境下，混凝土结构变形缝设置最大间距较小，会增加清水池变形缝设置数量，故需对清水池采取保温措施。一般清水池采用覆土保温，如采用全地下式水池，再考虑一定的覆土厚度将会加大基坑开挖深度，为此采用半地下式清水池，这时地面以上外露部分需做保温，通常是采用堆土的方式，但占地面积较大。因此改用在水池顶板以上做女儿墙，覆土0.5m保温，其上种植草皮，在池壁外侧采用240mm厚砖砌保温墙做保温层，这样既起到保温的作用，又节约了用地，还起到美观的效果。3.3.变形缝的设置根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002第6.2.1条规定矩形构筑物的长度、宽度较大时，应设置适应温度变化作用的伸缩缝。由于本工程清水池长39m，超过表6.2.1中的长度要求，故沿垂直于长度方向的中线设置一道变形缝，将水池分为两部分，如此一来，在缝两侧顶底板、梁会形成悬臂结构，内力加大，应在设计时予以注意。池壁和底板处变形缝选择内置式橡胶止水带，而顶板由于梁板式结构在沉降缝处梁钢筋按图集11G101-1的悬臂梁的做法应将上部钢筋向下弯折，这样会刺穿内置式止水带，很多人为避免这种情况而不将梁上部钢筋弯折，这样又会减少钢筋锚固效果，于抗震不利，其实可以将顶板改用外贴式止水带，这样就很好的解决了这一问题。3. 4.清水池的裂缝宽度计算清水池设计中，控制裂缝是一个关键问题。在计算中满足承载力前提下，构件受弯或大偏心受拉时还应按《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002附录A给出的公式计算最大裂缝宽度，特别是试水工况的裂缝宽度计算，除了要考虑弯矩的影响外，还应考虑池内水侧压力产生的拉力，裂缝控制应按拉弯构件来计算。3.5清水池的内力计算分析清水池的池壁可以按照单向板，考虑水，土不同工况产生的荷载进行计算。顶板与顶板梁、池内柱网形成框架体系，可以按照框架体系建模进行整体分析计算。而清水池底板的计算由于采用板柱结构，可以根据不同的地基反力假定而采用两种不同的计算方法。3.5.1等代框架法计算根据地基反力直线分布假定，考虑到池内柱子，池壁与底板共同作用，依据文献[3]提供的计算方法，底板按板柱结构的等代框架法计算。等代框架法，顾名思义，就是把整个结构分别沿纵、横柱列两个方向划分为具有“框架柱”和“框架梁”的纵向与横向的等效框架，分别进行计算分析。这里的“框架梁”就是柱上跨度范围内的底板等效的。等代框架法计算板柱结构计算准确，且现有设计软件可以实现机算，方便快捷。但由于采用的是框架模型，需采用弯矩分配法进行验算，校核结果稍显繁复，而且针对给排水水池构筑物，软件无法考虑试水阶段，池外无土，池内有水工况池壁受水压力产生的弯矩对底板的影响，需人工附加计算，更凸显上述缺点。针对上述问题笔者通过查阅相关资料，结合实际工程做了一些研究，最后归结出一种针对板柱式构筑物这一类工程比较适用的简化计算方法，即将等代框架计算模型进一步简化为连续梁模型。由于清水池池内柱网间距较小，且底板厚度比池壁较厚，这样在按等代框架法划分框架后，底板的等效梁刚度就要远大于柱子，再进行弯矩分配时，底板分担了大部分弯矩；文献[3]也规定当底板刚度较大时，在计算底板时可以视池壁与底板铰接，只需将池壁弯矩传递给底板进行计算。考虑到池壁，柱子刚度相对于底板较小，故在此基础上做出简化：假定柱子，池壁铰接于底板，视为底板支座，将底板按连续梁计算，梁宽和荷载取值与等代框架相同，连续梁是单独的构件，有成熟的计算软件，也可查表计算，便于手算校核，且可以输入集中弯矩，方便考虑试水工况池壁产生的弯矩，计算结果与等代框架法对比相差不大，更偏于安全。3.5.2按筏板基础计算根据弹性地基反力假定，将底板视为清水池的基础参与清水池整体空间建模分析计算。重点是基床反力系数K的计算，需综合考虑地基土的泊松比与底板厚度等因素来确定基床反力系数K。3.6清水池的抗倾覆，抗滑移验算清水池由于设变形缝的缘故，分成两部分。池内水侧压力产生的推力，只能依靠水池外填土的被动土压力和底板与地基土的摩擦力来平衡，因此需要验算各部分水池的抗倾覆和抗滑移。可取单位长度清水池池壁和底板，按照挡水墙来验算抗倾覆，抗滑移。安全系数应符合相关规范的规定。3.7清水池顶部覆土的排水出于保温和美观的考虑，清水池顶覆土种植植被，在雨季覆土会储存雨水，需设置排水，将多余雨水排出，不然会增加顶板荷载，还会影响植被生长。故沿顶板女儿墙每隔一段距离设置一排水管，将多余雨水引向地面排水设施。4 小结水池结构的设计需在材料，结构选型，构造等多方面综合考虑，使水池结构设计更加安全合理。对于底板的计算笔者提出了对等代框架法的一些改进设想，对于按弹性地基计算底板，底板与地基土的共同作用还需进一步研究。参考文献：[1]给水排水工程构筑物结构设计规范. GB50069-2002[2]给水排水工程混凝土构筑物变形缝设计规程.CECS 117：2000[3]给水排水工程结构设计手册（第二版）. 北京：中国建筑工业出版社，2006[4]曹志杰. 大型矩形水池底板计算模式选择. 特种结构，第21卷，2006年3月第1期