鋼筋混凝土水池設計要點

蔡靖

摘要：鋼筋混凝土水池是市政工程中常用的儲水構筑物，廣泛應用于城鎮公用設施和工業企業中的一般給水排水工程。隨著市政設施逐步完善，鋼筋混凝土水池的類型越來越多，受力情況越來越復雜，本文通過分析水池結構的主要荷載以及內力組成及結構計算，提供水池結構需注意的設計要點，對鋼筋混凝土水池類結構設計進行了具體的研討和總結。

關鍵詞：鋼筋混凝土結構;水池設計;設計要點

鋼筋混凝土水池結構的設計應該從多個方面考慮、不同工況出發，不僅需要考慮工藝流程對結構產生的作用和影響，還要考慮到水池結構完工投入生產使用后，受力情況發生的變化，綜合各種最不利工況，從強度、剛度和變形的角度，對水池結構進行計算，保證水池設計安全適用、經濟合理、質量優良。

一、水池結構的主要荷載

作用在鋼筋混凝土水池結構上的荷載根據其受力性質的不同，主要可以分為兩類，第一類為永久荷載作用，第二類為可變荷載作用。永久荷載作用包括以下幾個方面：結構自重、池外土體產生的側向壓力及豎向壓力、池內盛水產生的水壓力等;可變荷載作用包括：池頂部操作荷載、走道的活荷載、池壁面溫（濕）度變化作用、地面堆積荷載等。

暴露在大氣中的地上式水池（一般可根據水池壁板埋深來確定，當水池壁板埋深小于池壁高度的一半時，可按地上式水池）或露天水池，應考慮池壁的壁面溫（濕）差作用。地下式水池或設有保溫措施的有蓋水池，可不考慮壁面溫度、濕度變化作用。

二、水池結構內力組合分析

在進行水池結構設計計算時，首先要考慮的是結構的整體穩定計算，包括抗浮計算、抗滑移計算、抗傾覆計算等。一般來說，當地下水位較高時，水池需考慮抗浮問題。在空池工況下，根據勘察單位提供的抗浮設計水位，計算水池依靠自重抵抗浮力作用。若抗浮系數不滿足要求，則需采取抗浮措施，比如增設抗拔樁、池頂覆土配重、增大池底板飛邊等。對于擋水墻式結構體系，或水池設置通長伸縮縫時，需考慮水池在池內水水平荷載作用下，整體抗滑移是否滿足。

其次，依據水池具體的結構布置、工藝流程、地質情況等，在對荷載以及內力的組成情況進行充分的了解和掌握后，選擇相應的最不利內力組合。水池一般存在三種內力組合：試水工況時，池內有水，池外無土，此時池壁承受池內水產生的側向壓力;檢修工況時，池外有土，池內空池無水，此時考慮池外水土對池壁產生的側壓力;正常使用時，需考慮池內滿水，池外有土。對于多格水池，還需考慮池內部分滿水，部分放空的情況。

水池結構構件按作用效應考慮不同工況的荷載組合，需計算以下兩種狀態，即按作用效應的基本組合進行承載能力極限狀態下的強度計算，以及按作用效應的準永久組合進行正常使用極限狀態下結構構件的變形、裂縫計算。對于構件處于軸心受拉或小偏心受拉時，還應按作用效應的標準組合進行抗裂度驗算。

三、水池結構的內力計算

（一）底板內力計算

水池底板所承受的荷載主要包括兩方面，一方面為地基反力，一方面為地下水浮力。

當底板跨度較小（小于4.0米）時，地基反力可假定為按直線分布。一般可認為底板簡支于與其相交的池壁板，同時在池壁側面荷載的作用下，池壁的底端彎矩將傳遞給底板。池底板根據水池每格的長寬比進行劃分，一般可劃分為單向受力底板（單格水池的長短邊比L1/L2>2）和雙向受力底板（單格水池的長短邊之比L1/L2≤2），計算時可相應按照單向截取截條、雙向截取截條來進行計算，單跨水池采用單跨連續板、多跨水池采用多跨連續板。單向受力底板計算，需考慮水池放空的不利影響，但不考慮多格池均滿水的情況。對于雙向受力底板計算，作用于底板上的荷載，需沿x和y方向進行分配，以作為各截條上的荷載。各向分配荷載按下式計算：

qx=xq

qy=（1-x）q=q-qx ，其中，x的取值與板的長寬比有關。

底板受力計算需同時考慮最不利盛水組合。

當底板跨度較大，采用直線假定分布已不適用時，可按彈性地基上的底板計算。對于荷載沿底板長度方向均勻分布的長條板，計算方法為順底板的橫向截取單位寬平面變形截條計算。

（二）池壁內力計算

在計算池壁內力的過程中，首先確定池壁板的邊界條件。一般池壁與池壁、池壁與底板相交處，可考慮為壁板的固定端;池壁與頂板相交處，可考慮為壁板的簡支端，當池頂無頂板時，為自由端。當壁板的長度及高度的比值在0.5-3之間時，可按雙向板計算。

當池壁壁板為四邊支承，但其長度與高度的比值大于2.0;或三邊支承，但其長度與高度的比值大于3.0時，還需要考慮壁板水平向角隅處的局部負彎矩。

四、水池結構設計中的注意問題

鋼筋混凝土水池需采用抗滲混凝土，即充分考慮混凝土本身所具有的密實性，采用混凝土自防水，以此來滿足池體的抗滲要求。

混凝土裂縫對水池影響較大，應嚴格控制裂縫不超出規范限值。初期的預防措施為：施工做好混凝土的早期養護工作，這樣能夠有效地控制構件的濕度，從而盡量降低混凝土收縮的概率，防止因為內部約束導致開裂的情況發生。

五、水池裂縫成因分析及處理方法

當混凝土存在拉應力時，因其抗拉強度較低，這種情況下就容易產生裂縫。鋼筋混凝土水池裂縫可分為兩種，即非結構性裂縫及結構性裂縫。

當裂縫寬度能夠保持在限值范圍內，結構可以正常使用，不存在安全性問題時，此類裂縫可認為是非結構性裂縫。考慮到結構耐久性，可采取相應的修補措施。

當裂縫寬度超出了規范限值，或結構的安全性、耐久性存在問題時，此類裂縫可認為是破壞性裂縫。

（一）非結構性裂縫成因及控制

此類裂縫是由于結構構件內部自身的應力所導致。在混凝土的澆筑過程中，會產生大量的水化熱，導致混凝土內部溫度急劇上升，而混凝土表面溫度較低，內脹外縮，在結構內部產生壓應力，表面產生拉應力，從而形成溫度裂縫。同理，當使用期水池池壁內外側存在溫（濕）差時，由于混凝土的熱脹冷縮，亦會產生應力形成裂縫。

為有效控制此類裂縫的形成及發展，在施工期間應采用合理的混凝土配合比，把握外界溫度不宜過高或過低。對于超長型水池，可通過設置后澆帶、現澆加強帶、伸縮縫、施加預應力等措施，減少非結構性裂縫的發生。

（二）結構性裂縫成因及控制

在荷載作用下，如果水池結構不具有足夠的承載力、構造措施不滿足要求或施工質量差等，可能引起結構較大的變形，以及形成結構性裂縫。此類裂縫潛藏著結構的危險性，也是破壞開始的征兆，需要根據裂縫的形式及原因，采取相應的加固補強措施。

為避免此類裂縫，在設計階段應充分考慮水池可能存在的各種最不利組合工況，并根據受力的基本組合和準永久組合、標準組合，分別計算構件的強度、變形和裂縫、抗裂度等。

六、鋼筋混凝土水池分類

鋼筋混凝土水池可以采用多種方式進行劃分：根據結構的平面布置，可分為矩形水池、圓形水池等;根據水池的實際用途，可分為蓄水池、水處理水池等。在這其中，有較大部分的水池是地下式或半地下式，這時候池外壁所承受的土壓力能夠將池壁內所承受的水壓力進行一定的平衡，使水池結構處于較小的受力狀態，但是，仍需按照荷載可能存在的最不利組合，控制構件的強度和裂縫。

結束語：

綜上所述，鋼筋混凝土水池結構已經被廣泛地應用到工業及市政基建中，在設計過程中，應該嚴格把握水池設計的各個方面，包括荷載的分類及計算、溫（濕）度考慮、受力分析、裂縫控制等，作為整個設計的關鍵點，以確保設計出具有較高可靠性以及實用性的鋼筋混凝土水池。

參考文獻：

[1]周莉. 鋼筋混凝土水池結構設計要點[J]. 產業與科技論壇， 2016（4）：2.

[2]羅忠濤. 鋼筋混凝土水池結構設計要點[J]. 中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術，2020（12）：00044-00044.

[3]于振振. 淺析鋼筋混凝土水池設計要點[J]. 中小企業管理與科技， 2014（13）：2.

[4]張銀. 淺析鋼筋混凝土水池設計與施工要點[J]. 城市建設理論研究：電子版， 2015， 5（13）.

[5]楊勁峰， 林麗虹. 鋼筋混凝土水池設計與施工要點淺析[J]. 安徽建筑， 2011， 18（1）：49-49.

1175500520342