鋼筋混凝土淺壁水池結構設計方法對比分析

白貴斌

（上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

污水廠內構筑物多為鋼筋混凝土水池，常用工藝的核心處理構筑物均較大，且多淺壁水池，因其尺寸較大，建設所用的材料也較多。鋼筋混凝土結構因自重大、施工工序復雜等原因，造成其建設成本也較大。而采用不同的結構形式，材料的用量會有相對的變化，且有時變化會較大，由此帶來的建設成本的變化會更大。因此，在滿足工藝要求的前提下，結構設計應以合理布局、受力明確,以及安全、經濟和實用為原則[1]，選擇經濟且可靠的結構形式，減少鋼筋混凝土材料的用量，降低建設成本。

1 結構設計方法

水池的結構設計，是對水池各部位結構構件截面尺寸及配筋的確定過程，根據各構件的受力特點及受力情況，選擇最優截面是設計的最終目的。水池結構構件的內力計算按不同的工況分別進行：通常有池外有土池內空、池外無土池內滿水、池外有土池內滿水三種工況。

水池基礎一般為樁筏基礎或平板式筏板基礎兩類。樁筏基礎的受力特征：上部結構的重量通過墻傳至筏板基礎或直接作用于筏板，再由筏板傳至樁基、樁基傳至地基。因此，樁筏基礎的設計分兩步：（1）計算上部包括筏板在內的最大重量，確定合理的樁徑，根據地質勘查報告及JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》計算單樁承載力與根數，調整布置，以滿足承載力要求；（2）筏板的受力受樁基與筏板下地基土的綜合影響：工程剛完工時，地基沉降不大，筏板受地基土反力作用，此時不考慮樁基對筏板的支撐，綜合上部結構的工況進行底板受力及配筋的計算；工程完工且使用一點時間后，地基土在筏板壓力及自重作用下有一定的沉降，而樁基樁端土埋藏較深且土層更為穩定，其沉降很小，因此樁基的沉降也很小，而樁基和筏板下地基土的沉降差會造成地基土對筏板的支撐作用減小直至消失，此時不考慮地基土的支撐作用，上部結構完全由樁基支撐，選取合理的模型與截面，計算滿水運行時底板內力與配筋。綜合考慮以上兩種情況，選取合理的底板截面并復核配筋。

平板式筏板在無地下水影響時只受地基反力及池壁的作用，設計時應按各工況分別進行底板反力與內力的計算，對比各工況結果，選取控制工況完成設計。

對有抗浮要求的水池，計算抗浮穩定系數，根據結果評估是否滿足要求，不滿足要求時，采用配重或抗拔樁等抗浮處理措施，保證結構的安全。配重一般位于底板，做法為在底板底部增加一層鋼筋混凝土墊層或增加壁板、頂板的厚度，厚度由計算確定，而底板仍按平板式筏板計算；抗拔樁為摩擦樁，樁徑及根數、布置由計算確定，底板除以上三種工況外還應考慮空池檢修時水浮力作用的計算。

壁板為豎向結構構件，一般均為受彎構件，作用為水壓力與土壓力等，設計時選取合理截面，按各類工況進行內力及配筋計算。水池內各結構構件的受力情況均較為復雜，尤其是底板，因此，水池的設計是對比其各個結構構件在各類工況下的計算結果，選擇最大內力進行包絡設計，以達到經濟、安全的目的。截面尺寸的選取尤為重要，水池結構混凝土一般考慮防腐抗裂、防水防凍等措施，因此，選擇合理的截面不僅會減小混凝土的用量，其他材料的用量也會隨之減小。

2 結構形式的選擇

淺壁水池壁板一般為單向板且與地基土接觸的外側壁板為受力壁板，池內各部分之間一般有洞口連通，故隔墻多為不受力或受力較小的構造壁板。因此，淺壁水池設計的重點在于外側壁板與底板。池壁為受彎構件，其底部固結于底板，水平兩端固結于其他壁板，頂部按有無蓋板采用簡支或自由模型。池內隔墻厚度及配筋一般按構造確定，對部分受力的池內隔墻可計算復核；外側壁板按三種工況設計。

2.1 壁板

淺壁水池外側壁板可采用等截面單向板、變截面單向板、加扶壁以及加肋梁等結構形式，如圖1所示。根據荷載及支撐情況可知其內力分布情況：壁板頂部彎矩為0，跨中彎矩較小，根部彎矩較大。壁板的經濟配筋率為0.4%～0.8%，設計時綜合考慮壁板高度、經濟配筋率及壁板根部、中部彎矩，選取壁板結構形式為等截面或變截面等形式。

圖1 外側壁板結構形式

池壁高度不大于3.0 m 時，考慮耐久性等因素可采用等截面形式；池壁高度較大時，可采用變截面形式，厚度自根部向上線性減小，相對等截面形式，常規情況下混凝土的用量減小10%～20%，而壁板根部厚度不變，配筋不變，壁板中部彎矩較小，頂部自由時壁板中部一般為構造配筋，配筋不會變大，頂部簡支時壁板中部彎矩較簡支稍大，配筋一般有較小變化，因此鋼筋的用量基本無變化或變化較小；對水池壁板，池壁厚度的選取與池壁高度的三次方有正相關關系，而變形與池壁高度的四次方有正相關關系，因此，池壁高度較大時，會造成壁板根部厚度很大且變形不能控制，此時變截面形式不再適用，應加垂直扶壁或水平肋梁，將壁板由單向受力情況變為雙向受力情況，大大減小區格內壁板的最大彎矩，此時根據區格的最大彎矩與經濟配筋率計算壁板厚度，選取較小且合理的截面尺寸，達到經濟的目的。

2.2 底板

地基土質的力學性質及水池是否受地下水影響對底板受力的影響很大，根據具體情況，底板采用厚度不變的大底板結構和厚度變化的擋水墻加構造底板結構兩種形式，如圖2 所示。

圖2 底板結構形式

無地下水影響：（1）地基承載力較弱時，一般為小于150 kPa，底板通常采用厚度不變的大底板結構，由于地基土在不均勻的壓力作用下容易產生不均勻沉降，而矩形水池對地基的不均勻沉降反應敏感，且不均勻沉降會影響基礎裂縫的發展[2]，因此，采用大底板可提高底板剛度，調節地基不均勻沉降，避免底板損壞的現象發生；（2）地基承載力較強時，其能承受較大的荷載且變形相對較小，外側壁板與底板連接部位設計為擋水墻，中部底板可按設計減小厚度或采用構造底板。擋水墻由垂直壁板與壁基組成，其設計原則同擋土墻，壁板可采用變截面形式或增加垂直扶壁及水平肋梁的形式，壁基的長度按擋水墻的穩定計算確定，一般H 為0.4～0.8 m（H為垂直壁高度），垂直壁板頂部有支撐時取小值、頂部無支撐時取大值。構造底板厚度一般為受力底板厚度的0.5～0.6 倍，混凝土的用量可減少40%～50%，鋼筋的用量按構造配筋減少。

有地下水影響：采用大底板形式，不可采用變厚或構造底板，且應對其受力情況進行具體分析。（1）抗浮穩定性滿足要求時，計算單位面積底板的水浮力是否大于底板反力，故按兩種情況選擇合理的模型計算大底板內力并配筋，水浮力小于底板反力時，按底板反力計算，不考慮水浮力的影響，水浮力大于底板反力時，應按水浮力的大小代替底板反力進行計算；（2）抗浮穩定性不滿足要求時，即計算抗浮穩定系數小于規范限值1.05[3]，應采用配重或抗拔樁并計算底板內力及配筋。計算抗浮穩定系數稍小于規范給定限值時，可采用配重方式，采用底板配重時，由于配重部分受水浮力作用，其作用相對于增加池壁與頂板厚度較小，而增加頂板厚度時，頂板及底板所受內力及配筋均有所增加，增加壁板厚度時，從受力情況及構造角度出發，底板厚度也有所增加，其配筋亦有所增加，因此，采用配重方式增加抗浮穩定性時，應綜合考慮所取方案帶來的經濟效益，選擇較為合理的方案；計算抗浮穩定系數小于規范給定限值較大時，配重不再經濟，采用抗拔樁方式則可更為有效的解決問題，且更為經濟。當筏板基礎下的軟弱土層較厚時，應綜合考慮地基對基礎形式及抗浮措施的影響。

2.3 頂板

對有蓋的部分，其頂蓋支撐均為水池壁板。頂板厚度根據支撐情況及支撐間的跨度及荷載計算確定，當跨度較大，計算的板厚及配筋均較大時，應布設鋼筋混凝土梁，減小板的跨度、厚度及配筋。也可對頂板采用預應力結構，這樣可減小頂板的建設成本，但會影響壁板的受力狀態：在壁板頂部預加了一個向內的水平力。水池頂板的支撐結構為水池壁板，水池壁板受水壓力荷載作用時，會將部分作用傳遞至頂板，使頂板受軸力作用，故預應力頂板水池在試水工況時，施加的水平預應力可抵消全部或一部分池壁板傳遞的水壓力的作用，對頂板抗裂有利，同時預應力傳遞至壁板，與水壓力綜合作用時減小了壁板內根部的豎向作用與豎向鋼筋配筋面積，但卻增大了壁板外中部的豎向作用與鋼筋配筋面積；池外有土池內空工況下，施加的水平預應力與池外土壓力綜合作用，提高了壁板外根部的豎向作用與配筋面積；池外有土池內滿水工況下，由于無地下水影響時土壓力作用一般小于水壓力作用，水平預應力與土壓力、水壓力綜合作用時，壁板在前兩種工況的配筋下工作更易達到平衡。對有抗浮要求的水池，可綜合考慮預應力方案、頂板厚度與配筋。因此，頂板預應力設計、厚度與配筋，應按計算選取較為經濟合理的方案執行。

3 結語

市政工程中水池的設計應全面分析水池各結構構件在不同工況下的受力情況，合理地采用各構件的結構形式，可以減少混凝土及鋼筋的用量，同時還會較少其他摻加料的用量和與此相關的施工費用及其他部分費用，達到結構合理、安全及經濟的目的。