浅析钢筋混凝土水池设计

浅析钢筋混凝土水池设计

浅析钢筋混凝土水池设计要点王震（中煤第六十八工程处，山东省邹城市，273500）摘要：依据国家现行规范，浅析钢筋混凝土水池的设计原则，并对设计中需要注意的相关问题进行分析。水池荷载及组合计算简图构造措施水池是工业与民用建筑中常用的构筑物。在各种材料的水池中，钢筋混凝土水池因具有耐久性好、构造简单、造价底等优点，应用最广，比较常见的有矩形水池和圆形水池。矩形水池施工较方便，占地面积少，平面布置紧凑；圆形水池受力合理，可采用预应力混凝土。经验表明，小型及较深的水池宜用矩形；200m3以上的中性水池宜用圆形水池。本文以矩形水池为例，浅议一下钢筋混凝土水池设计过程中应注意的事项。一、荷载及其组合水池结构上的荷载主要分为恒荷载和活荷载两类。恒荷载包括结构自重、土的竖向压力和侧向压力、水池内盛水压力等；活荷载包括水池顶板活荷载、地表或地下水压力（侧压力、浮托力）、结构构件的温（湿）度变化作用、地面堆积荷载等。1•顶板荷载池顶板作用的荷载由恒载及活载组成，恒载包括覆土荷载和顶板自重，上人水池顶盖活荷载标准值可取1.5kN/m2,准永久值系数可取0.4。当顶盖有较重设备基础时，可将设备基础重量折算成活荷载布置于顶板上。当顶盖有施工机械时，应根据施工条件验算施工机械设备的荷载。2.池壁荷载池壁荷载主要是水平方向的水压力和土压力，包括：池内水压力、池外土压力、池外地下水压力、地面活荷载及温度（湿度）作用产生的应力。在施工过程中，水池四周有可能堆土或者有施工机械运作。因此在计算水池荷载时，根据过去的经验增加了池壁四周的地面堆积荷载作为可变荷载。地面活荷载对池壁有侧向作用，所以当水池半地下或者全地下水应当考虑地面活荷载的作用。地面位于底板顶面之上时，上式中：qd3为池壁底部地面活荷载标准值（kN/m2）,nq2为地面活荷载标准值（kN/m2）,Ka为主动土压力系数。地面活荷载标准值q2即地面堆积荷载可取10kN/m2,其永久值系数可取0.5o2.池底荷载池底板作用的荷载包括：池内水自重，水池顶板和壁板的重力荷载、底板顶面以上（包括挑出部分）覆土荷载及活荷载引起的基底反力。3.其他因素除了上述荷载的作用Z外，温度和湿度变化、地震作用等也会在水池结构中引起附加内力，因此在水池设计过程时候应该考虑到这些因素。当温度和湿度变化引起的混凝土的收缩或膨胀受到约束时，结构屮产生附加的温度应力和湿度应力。这种应力分以下两种情况：一种是由于池内水温（湿）度与池外气温或土温（湿度）的不同而形成的壁面温差（湿度差）。另--种是水池施工期间混凝土浇筑完毕时的温度与使用期间的最高或最低温度Z差，或者是水池尚未装水或放空一段时间后，池壁混凝土中面平均温度或湿度的变化值。对水池具有破坏性的地震荷载主要是水平方向的地震惯性力。一般来说，整体式钢筋混凝土水池本身的抗震性能很好，因此在设计地震烈度为7度的地面式和地下式水池，设计烈度为8度、平面长宽比小于1.5、无变形缝的有顶盖地下式钢筋混凝土矩形水池时，只需采取一定的抗震构造措施，可不作抗震计算。设防烈度为9度区时,应计算竖向地震作用效应，并应与水平地震作用效应按平方和开方组合。4.荷载组合1）地下式水池：一般计算两种工况，第一种工况为闭水试验，即池内有水而池外无回填土。第二种工况为池内无水（如检修期），而池外有土，同时还需考虑地面有堆积荷载以及池外地下水压力共同作用。2）地面式水池：第一种工况为闭水试验，即池内有水和温、湿度作用。第二种工况为使用期，即池内有水，池外有填土、地下水压力和温、湿度作用。二、水池计算1）池壁与顶板a.对于敞口水池池壁和顶板为预制搁置且无连接措施时，池壁顶端视为自由端。b.当预制板与池壁顶端设有抗剪钢筋连接或池壁与顶板整体浇筑，仅配置抗剪钢筋时，连接应视为较接。c.当池壁与顶板整体浇筑，并配置连续钢筋时，池壁与顶板节点应视为弹性固定，而当池壁与顶板整浇，R池壁的线刚度与顶板线刚度比值大于5时，顶板相对于n池壁来说可视为较接。2）池壁与底板a.当池壁底端为独立基础时，池壁底端可视为固定支承。b.对于非独立基础，当满足图1中的关系，即ai>h,a2>hi，hi>h时，池壁底端也可视为固定支承。c.当底板较薄或挑出长度较小，而地基较弱时，宜按弹性固定计算。I丨h丨°2|图1璧底固定构造图3)池壁与池壁矩形水池相邻壁间的连接应按弹性固定考虑。因此在计算相邻池壁间的弯矩时要进行相邻近的不平衡弯矩的分配。三、构造要求3.1钢筋的混凝土保护层《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)要求IIb环境类别下C30墙的混凝土保护层最小厚度为25mm,梁柱为35mm。《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS138：2002)较之前对水池的耐久性有更高要求，保护层厚度有所提高，最小保护层厚度取值与构件类型和所处环境有关，一般最小保护层厚度要求见下表1。表1构件名称工作条件保护层最小厚度板、冗与水、土接触30与污水接触35底板有垫层的下层筋40无垫层的下层筋70《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB50069・2002)对水池各个部位钢筋混凝土保护层最小厚度要求与上表1相同，不与水、土接触或不受水气影响的构件，其钢筋的混凝土保护层最小厚度，应按现行的《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)n的有关规定采用。《地下工程防水技术规范》(GB50108-2008)规定：迎水面钢筋保护层厚度不应小于50mmo因此，根据以上要求，地下混凝土清水池的池壁与土接触的迎水而部位，钢筋保护层厚度宜取50mm,与水池池内水接触的部位保护层可取30mm。同时保护层厚度不宜取值过大，以防保护层过厚混凝土产生裂缝。3.2裂缝大部分的池壁配筋都不是以强度来控制，而是以裂缝来控制。水池裂缝一般为竖向裂缝，裂缝有两种：一种是贯穿性裂缝，由混凝土收缩引起的，《地下工程防水技术规范》要求防水混凝土结构裂缝不得贯通；另一种是出现于池壁外侧的表面裂缝逐步扩展延伸到池壁构件的全截面。水池裂缝计算时，由于潮湿环境下混凝土干缩较小,其裂缝增大系数取值可以适当减小。在选用钢筋等级的时候，虽然受裂缝宽度限值的限制，不能充分发挥其强度作用，但是由于I、II级钢筋价格差别不是很大，而且II级钢筋比I级钢筋强度设计值大，钢筋用量可减少20%,所以采用II级钢筋在技术上和经济上是比较合理的。《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)规定环境类别二类时，钢筋混凝土结构构件裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度限值为0.2mm。《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS138：2002)规定钢筋混凝土水池结构构件中最大裂缝宽度限值，清水池、给水水质净化处理构筑物为0.25mm；污水处理构筑物为0.2mm。一般情况下，当地下水位较浅或者有腐蚀性时，混凝土水池结构构件的最大裂缝宽度限值宜为0.2mm。3.3喑梁与暗柱现浇钢筋混凝土水池最容易在角隅处出现裂缝，因此必须在池壁角隅处、池壁与水池底板角隅处设置构造梁柱，增强该部位的抗扭和抗裂性。敞开式水池往往在池壁顶部先开裂，池壁顶端宜设置暗梁，高度不得小于池壁厚度，内外两侧各配置不宜少于3016的受力水平钢筋，以加强上口的抗裂性能；在池壁的转角和内隔墙与外池壁交接处也宜设置喑柱，以改善节点的受力效果和加强钢筋的锚固及抗裂性能。如池壁太长，也可以每隔一段距离设置喑柱。3.4配筋构造要求受力钢筋宜采用直径较小的钢筋，间距宜为100mm〜200mm,内、外各侧受力钢筋和构造钢筋配筋率均不应小于0.15%,受力钢筋的配筋百分率宜控制在0.3%〜0.8%的经济配筋率范阖内。受力钢筋的有效锚固长度必须按GB50010钢筋混凝土结构设计规范的规定采用。由于地面式矩形水池池壁对湿差和温差的影响很敏感，因此为了避免池壁产生贯n穿性裂缝，池壁水平方向的最小构造配筋率每侧宜不小于0.15%.水池底板最小构造配筋率，对于无顶盖的敞口水池，其顶板上层钢筋的最小构造配筋率不宜小于0.15%,其下层配筋及有顶盖的水池池底板可取不小于0.1%.3.5温湿差控制措施为了消除或控制温度和湿差造成的不利影响，在设计时，除了在建筑构造上采取隔热、保温、防渗等措施外，还采用“放松”或“抵抗”的措施。“放松”就是使结构(或构件)不受或少受边界约束，如设置伸缩缝，配置适量的构造钢筋；“抵抗”就是当结构(或构件)不允许设置伸缩缝，或结构本身的自约束造成较大的附加应力时，则需要通过计算来确定温差和湿差造成的压力。随着新型建筑材料的研制成功，也可以采取增加添加剂的方法，如高效抗裂膨胀剂等等，对混凝土的早期收缩有一定的抵抗作用。3.6降水措施一般地下式水池，当地下水位较高时，应采取有效地降水措施，使地下水位线保持在施工线一下最低30cm处为宜，必须确保混凝土强度达到80%以上时，才可上升。四、结束语水池作为特种结构，其设计有特殊性，但是也可简化成我们熟悉的工程模式进行设计。只有全面理解了水池各构件的组成及联系，才能更好的对其进行简化，以形成较为正确的计算模式。同时，将工程实践中的实例反馈到设计中，不断填充设计依照的工程案例，增强工程设计的科学性和实践性，以便于以后更好地服务于实际工程。参考文献：[l]GB50069-2002,给水排水工程构筑物结构设计规范[S].⑵CECS138：2002,给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].⑶冯志芳，浅析水池结构设计的科学性[J],中国勘察设计，2003(9).[4]张靖静，水池结构设计概要分析[J],山西建筑，200531(22).