钢筋混凝土矩形水池构造设计的研究分析

【摘要】钢筋混凝土矩形水池作为特种结构，被广范应用于工业与民用建筑的给水、消防、排污工程中。钢筋混凝土矩形水池池体结构一般由池壁、底板和顶盖（是否封闭加盖由工艺需要决定）所组成。水池按有无顶盖，可分为无顶盖的开敞式池、有顶盖的封闭式池和带走道板的半封闭池；按安置方式，可分为地上式、半地下式、地下式。本文从荷载计算及组合、内力计算、构造措施三个方面对钢筋混凝土矩形水池构造设计进行了研究分析。

【关键词】钢筋混凝土矩形水池；水池荷载；内力计算；构造措施

钢筋混凝土矩形水池构造设计需要考虑以下几方面：池壁与顶板连接构造、水平转角构造、后浇带构造、保温构造、池体防渗构造措施等方面。构造设计是钢筋混凝土矩形水池设计的重要组成部分，随着计算机软件的开发和利用，计算应用技术将为结构计算带来便捷和精确，但如何确保计算结果和实际受力情况想匹配，必须借助构造设计达到，从而使水池设计安全性、可靠性、经济性得到保证，以下从荷载计算、内力计算、构造措施三个方面，对钢筋混凝土矩形水池构造设计进行探讨分析，以供参考。

一、水池荷载的计算及组合

1、水池荷载分类及选用。（1）池顶荷载。对于有顶盖的封闭式水池，应计算作用于池顶板上的竖向荷载，主要包括顶板自重、防水层重、覆土重、雪荷载和活荷载。雪荷载和活荷载不同时考虑。（2）池壁荷载。作用在池壁上的荷载可分为池内水压力、池外土压力和地下水压力。池内水压是水池承受的主要荷载之一，一般偏安全地按满池来计算水压。一方面，工艺上有可能挖掘潜力超过原设计水位；另一方面，一旦误操作而造成满池时可保证结构的安全。对于地下式或半地下式水池，土对池壁有侧压力，侧压力通常用朗肯主动土压力理论计算。土的各参数可按岩土勘察报告所提供的实际数值取用。但在初步设计或缺乏资料时，土的内摩擦角φ可取30º，土的重度可取18。当地面无堆载时，地面活荷载可按1.5～2.0KN/O考虑。当地下水位线在水池埋置深度范围内时，池壁外侧除考虑地下水的压力外，还应考虑地下水位以下的土由于水的浮力使土的有效重度降低而对土压力的影响。同时，地下水对池体的托浮也不容忽视，设计时，应进行抗浮稳定验算，并采取有效措施防止水池漂浮事故的发生，如设置排水盲沟等。

（3）温、湿度荷载。由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺要求以及季节变化等，造成池壁产生膨胀和收缩。当变形受到约束时，在池体中产生相应的温度或湿度应力。温度应力和湿度应力是导致混凝土池壁产生裂缝的主要原因，对于冬夏季或早晚温、湿差大的地区，温、湿度荷载计算是不可忽略的。

2、荷载组合。水池设计中通常考虑以下3种荷载组合：（1）池内水压+自重（对应工况为：池内有水，池外无土）。（2）池外土压+自重（对应工况为：池内无水，池外有土）。（3）池内水压+自重+温、湿度荷载。第（1）组合为地上式水池的必需组合，第（1）、（2）组合是半地下式水池和地下式水池的必需组合，第（3）组合用于冬夏季或早晚温、湿差大的地区，并且没采区任何保温措施的水池。

二、水池内力计算

水池的内力计算主要包括池壁内力计算和底板内力计算。不同边界条件和地基反力模型的选取，对水池的内力计算结果有很大的影响，下面分别谈一谈池壁和底板内力计算的方法及其中应注意的问题。

1、池壁的边界条件假定和内力计算：（1）池壁的边界条件假定及应用：开敞式水池池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边自由的板。有顶盖的封闭式水池池壁，视其与顶板的连接情况，池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边铰接（或弹性支承）的板。当池壁与顶板整体连接，且池壁线刚度为顶板线刚度的5倍以上时，可假设池壁顶端为铰接，否则为弹性支承。（2）池壁内力计算。矩形水池的壁板为矩形板，其计算可按混凝土结构矩形板的计算方法，划分为单向板和双向板进行计算。当池壁为单向板时，在水平荷载作用下，荷载几乎全部沿竖向传递，计算时沿池壁高度H取1m宽板带作为计算单元，池壁按竖向单向板计算，对于开敞式水池池壁即按悬壁板计算。池壁与相邻池壁相连处，由于池壁位移受到约束，荷载不仅沿竖向传递，还沿水平向传递，故应计算角隅的水平向局部弯矩最大值。角隅弯矩一般按以下两种状态分布：①池顶为自由边时，产生在顶端，角隅弯矩的零点离池壁竖向边约为0.6H；②池顶为铰接（或弹性支承）时，产生在池壁高度的中部，角隅弯矩的零点离池壁竖向边约为0.25H。值得注意的是角隅处剪力对池壁截面设计不起控制作用，但使与该池壁垂直的相邻池壁产生拉力（或压力）。当池壁为双向板池壁时，在水平荷载作用下，荷载沿两个方向传递，且荷载传递复杂，首先按单块双向板用查表法进行计算，然后考虑相邻壁板之间的变形连续性，按相邻板的线刚度比对板端弯矩进行调整，最终求得板的跨中弯矩。对大型的、重要的双向板池宜用整体分析方法。

2、底板内力计算。当池底在最高地下水位以上，地基具有较均匀的中、低压缩性，池型平面尺寸不大时，地基反力可按线性分布考虑，水池底板可做成等厚截面和变截面两种形式，这两种形式的底板内力计算有所不同。如果水池底板做成等截面的形式，地基反力按均匀直线分布进行计算。当底板长边与短边之比大于3时，沿短边方向取1m宽截条，按单跨或多跨连续板计算；当底板长边与短边之比小于等于3时，沿短边和长边方向各取1m宽截条，按单跨或多跨连续板计算，可不验算地基承载力。如果水池底板做成变截面的形式，可沿池壁做成条形基础，池底其余部分采用构造底板，地基反力按边缘最大和最小反力斜直线分布。做成条形基础的水池底板，其内伸部分和外伸部分均视为悬臂板，按悬臂板计算其固端弯矩和剪力，需验算地基承载力。

三、重视水池的构造措施

矩形水池实际是空间结构体系，其自身约束和外界条件的约束都十分复杂，除了通过计算来满足水池的强度、稳定和裂缝宽度要求外，更应该采用构造措施，加强结构的整体刚度，增强其防水、抗渗和耐冻性能，所以必须重视水池的构造措施。在设计中应采用以下措施：（1）为保证施工中捣制混凝土的质量，避免渗水，池壁和底板的厚度宜≥200mm。（2）池壁、底板的受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距，对于直径≤φ10的钢筋采用HPB300级钢筋，对于直径>φ12的钢筋采用HRB335级钢筋。（3）为保证池壁与池壁、池壁与底板为刚性连接，避免应力集中，增强连接处的抗裂性，连接转角处应设45°腋角，并在腋角内配附加筋φ10@200。

（4）采用合理的结构布置和围护措施，在水池内外表面抹防水砂浆面层，以减小温湿度对结构的影响，并加强整体刚度及保温防寒。（5）在水池四周设散水坡，防止地面水渗入引起地基不均匀沉降。

结束语

综上所述，由于钢筋混凝土矩形水池对场地适应性较强，特别是在狭长地带，矩形水池可以节约用地和较少开挖。同时钢筋混凝土矩形水池模板制作简单，模板损失较少，施工简单。在其构造设计时只有选取合理的结构方案，与实际情况相符合，应用正确的结构计算简图和计算公式，并结合水池这种特种结构的构造特点，才能把钢筋混凝土矩形水池设计得更加可靠和经济。

参考文献

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[2]CESC138：2002给水排水工程钢筋混凝土水池设计规程[S]

[3]余瑜.给水排水工程结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2006

[4]建筑结构构造资料集编委会.建筑结构构造资料集[G].北京：中国建筑工业出版社