淺談市政建設中鋼筋混凝土水池的結構設計與施工

中國市政工程華北設計研究總院廣州分院 廣東廣州

摘要：本文分析了鋼筋混凝土水池荷載情況，以矩形鋼筋混凝土水池為例探討了結構形式和荷載計算情況，并對施工中需要注意的技術要點做好分析介紹，希望能為市政建設中鋼筋混凝土水池的設計施工提供參考。

關鍵詞：鋼筋混凝土水池；荷載；結構設計；施工

混凝土水池是排污工程、環保工程中的常用構筑物，隨著近幾年來國家積極治理污染、提倡環保節能力度加大，水池設計與施工的要求也越來越高。鋼筋混凝土水池作為經濟性和耐久性都較佳的設計，廣泛應用到各類市政工程建設中，無論是水池設計的體積還是難度都逐漸增大，也給施工與設計帶來了難度[1]。下面我們針對市政建設中鋼筋混凝土水池的結構設計與施工做簡要分析。

一.鋼筋混凝土水池荷載分析

鋼筋混凝土水池根據用途、結構、建造位置、形狀、施工方法、配筋方式等有多種分類。水池的池壁也有多種結構形式，根據荷載分布情況可分為變厚池壁和等厚池壁，等厚池壁還可分為圓形與矩形，二者區別在于體積大小，前者容量200m3左右，后者200-1000m3，變厚池壁則主要適用于容量>1000m3的水池。根據用途和施工工藝，水池的池底也有諸如倒球殼、倒錐殼等多個復雜形式。比如倒錐殼和倒球殼具體示意圖見圖1。

圖1 水池倒錐殼和倒球殼池底示意圖

水池承受荷載豎向有池頂與池底荷載兩種，水平則為池壁荷載，具體示意圖見圖2。像池頂荷載計算時需要注意活荷載與雪荷載取最大值的篩選準則。池底何在相對整體式地板而言，荷載計算為地下水浮力與地板承受地基反力，效果為底板中產生彎矩與剪力。

圖2 作用在水池上的主要荷載示意圖

池壁荷載為水壓力與土壓力共同作用，壓力標準值計算公式為：

池壁土壓力按照主動土壓力計算，外側壓力呈梯形分布，頂端外側壓力標準值的計算公式為：

池壁地段外側壓力標準值的計算公式根據有無地下水分別如下，無地下水時計算公式為：

有地下水時計算公式為：

除去上述荷載之外，對水池結構產生影響的作用力還有諸如溫度、濕度與地震作用等。溫度與濕度的變化會導致混凝土膨脹或收縮變形，產生附加應力，也稱為溫度或濕度應力，導致這種應力產生的原因為水池內外溫度與濕度的差異[2]。地震作用會破壞水池結構，所以設計時需鹽酸水平地震作用，從而達到良好的抗震效果，低于一定烈度下的地震作用。設計時目前多以7度、8度以下地震烈度為考量，多選擇地面式或者地下式水池，對于有頂蓋的矩形水池著重采取抗震構造措施。在地震烈度>8度時除去考慮水平地震效應外，還必須考慮豎向地震作用影響，通過平方與開平方的方法計算組合獲得結果。目前水池的荷載計算主要方式主要依據池內有無滿水、池外有無土進行組合計算。

二.混凝土水池設計

在分析完混凝土水池荷載情況之后，在水池結構設計時需要考慮這些荷載作用。下面我們以矩形鋼筋混凝土水池為例做結構設計分析。

首先，完成長高比池壁的計算假定。側向荷載作用下，水池不同長高比受力情況有所差異，根據池壁單向與雙向受力情況做劃分，具體見表1。

表1 單向與雙向受力劃分標準

邊界條件比值受力情況

四邊支承 時單向計算，板端部分雙向計算，處視為自由端

雙向計算

單向計算，考慮角隅效應

時單向計算，底部部分雙向計算，處視為自由端

三邊支承，頂端自由 雙向計算

單向計算，考慮角隅效應

水池結構的布置要符合設計原則，像矩形水池均為長方形，布置時要考慮地形。基礎形式為擋土墻水池基礎多采用池壁下設置帶形基礎，地板采用鋪砌式結構，地板做成整體式，水池基礎為水平框架式和雙向板式。

伸縮縫的設置上要考慮建造位置，比如土基中矩形水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤20m，溫度區間段≤20m，巖基中間隔≤15m；比如建造在土基中的鋼筋混凝土矩形地下式水池，伸縮縫間隔情況如下：普通≤30m，巖基中間隔≤20m。

水池池壁結構形式的選擇情況如下：開敞式水池宜選擇變厚池壁，池底厚度為池壁的1.5倍；擋土墻式選擇等厚池壁；水平框架式池壁選擇變厚池壁。遵照以上設計原則，水池的結構設計將會保持合理性與穩定性，利于施工。

水池結構設計完成后，關于水池的地基承載力和抗浮穩定性驗算至關重要。假設水池基礎選擇整體式地板，地基反力均勻分布的情況下承載力驗算公式為：

+ + +

代表修正后地基承載力特征值。當池面標高低于地下水位或者地表滯水層無排水措施，水池會受到來自二者的浮力，空池時則有被托浮起來的或頂裂池底板的危險，因此需要進行抗浮穩定性驗算，具體情況可根據水池整體和局部做出計算。

水池整體抗浮穩定性驗算公式：