淺談工業水池結構設計

■許 海 ■東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥 230024

引言

伴隨著我國經濟的高速發展，各類化工廠區及污水處理的日益增多，水池是工業廠區及給排水工程中的重要構筑物，在化工廠區的建設過程中，水池的土建造價占到全廠造價的30%左右，在污水處理或者凈水廠等給排水工程中，水池的投資更是高達整廠投資的70% ～80%，因此，如何既可以保證水池的結構安全，又能使其造價控制在合理的范圍內就顯得尤為重要。

1 水池的種類

在生產和使用中，水池的種類和用途多種多樣，其中鋼筋混凝土水池的應用范圍最廣。鋼筋混凝土水池按照水池的位置可分為地下式、地上式水及半地下式水池;水池的形狀也分為多種:矩形、多邊形、圓形水池等;

2 水池作用荷載

在水池結構計算時，水池頂蓋所承受的荷載一般包括頂板和梁格的自重、覆土自重及覆土以上的活荷載、雪荷載等等，在這些荷載中，頂板和梁格自重和覆土的自重荷載通常比較大，雪荷載和活荷載在計算時不同時考慮。

水池壁板所承受的荷載主要是水與土的作用力，土對壁板的側壓力采用朗肯主動土壓力計算，

主動土壓力系數:

水對壁板的側壓力按三角形分布，池底處所受最大水壓力計算公式為;

壁板外側頂部所受側壓力計算公式為:

壁板外側底部所受側壓力計算公式為:

當存在地下水作用時:

當無地下水作用時:

圖1 水池的作用荷載

除了上述荷載之外，還有一些其他作用會對水池結構產生影響。由于水池的工藝要求、四季的變化以及混凝土在硬化時可能產生的水化熱等，會使水池的壁板發生伸縮。

3 水池的計算假定

對于水池的結構計算，應當建立整體模型或者對池壁和底板分別進行計算。在整體計算時，計算模型應當符合水土的實際作用效應，在分別計算時，壁板和底板的邊界條件和計算假定也應與實際情況相符合。

頂板和壁板的計算:對于有頂板的水池，水池頂板的算法與鋼筋混凝土肋梁屋蓋的算法相同;水池的壁板的內力計算，應當根據壁板的長寬比以及邊界假定按《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》中第6.1和6.2條的規定計算，對于圓形水池，應當按《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》的第6.2條的規定計算。計算中需要注意對頂板和壁板的不平衡彎矩進行合理分配。開敞式水池池壁的邊界條件可假定為三邊固接、頂邊自由的板。有頂蓋的水池池壁，其邊界條件可視為三邊固接、頂邊鉸接。

底板的計算:在底板計算時，可假定底板是簡支于池壁，池壁的間距的不同影響著底板的地基反力，如圖2所示:當水池的壁板間距很小，底板的變形與地基反力比較均勻(圖2a);當水池壁板的間距逐漸增大，底板的變形與反力的不均勻分布會變得顯著(圖2b);甚至可能出現跨中出現較大負彎矩(圖2c)，圖2a情況可以假定地基反力為線性。

圖2 池壁的距離對池底反力的影響

分布，而圖2b和圖2c在計算時必須要考慮彎矩的變化作用。在實際工程中，考慮彎矩變化的算法非常復雜，對于簡單水池，一般用靜力平衡法計算底板的內力:假定底板的地基反力的分布為線性分布，忽略變形協調的影響。

4 需注意的問題

水池抗浮:在抗浮設計時，應根據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》，結合地勘報告中的最高地下水位進行驗算。在計算中，當驗算水池的局部抗浮不滿足規范要求時，應當對水池的底板局部加厚以增加底板的重力或者設置抗拔樁。需要注意的是，在計算水池的整體抗浮時，無論是使用階段還是施工階段，都是按照池內無水這一工況來進行假定。但在實際工程中，在水池施工過程中一般會采用人工降低地下水或者在池內充水等措施保證水池的穩定;在水池的使用過程中，也只有在檢修等特殊條件下才會將水池的水抽干。所以，在結構設計時，應當根據施工和使用的情況綜合考慮，確定一個合適的地下水位設計標高，這樣既保證水池的結構及抗浮安全，又能節省工程投資。

裂縫控制:在水池的使用過程中，由于溫度等應力引起的變形受到約束，池體中有可能會產生溫度和濕度應力，從而導致水池的開裂。因此在水池結構設計過程中，水池的裂縫控制不可忽視。在設計時，應當根據水池內所盛介質、地下水有無腐蝕等情況來確定池體的環境類別和池體的最大允許裂縫寬度。對于尺寸超過規范規定的水池，應當按照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》的要求，合理的增加后澆帶，后澆帶可有效的消除部分混凝土前期收縮產生的當量溫差，從而增大了構筑物伸縮縫的允許間距。后澆帶的間距應當結合施工縫布置，并且能有效地削減溫度收縮應力。

［1］CECS138：2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程［s］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［2］陳載賦.鋼筋混凝土建筑結構與特種手冊［M］.四川:四川科學技術出版社，1992.

［3］胡建強.鋼筋混凝土結構水池的設計與施工［J］.建材世界，2013(2).

［4］賈德成.鋼筋混凝土水池裂縫的控制［J］.遼寧科技學院學報，2005(4).