水池结构设计经验分享和困惑探讨

2017-01-21陈海涛戴国华

中国水泥 2017年9期

陈海涛，戴国华

（1.南京凯盛开能环保能源有限公司，江苏 210036；2.中电环保股份有限公司，江苏 211102）

水池按照相对地面的关系可分地下式、半地下式、地上式、架空式；按照形状可分为矩形水池、圆形水池、不规则水池；按照有无顶板分为敞口水池、有盖水池、无梁板式水池；按照池壁长度和高度的比值可分为深水池、浅水池、双向水池；按照配筋形式可分为普通混凝土水池、预应力混凝土水池等等。但不管怎样，水池设计的思路和过程基本一样，涉及到材料、作用及作用效应组合、静力计算、抗裂及裂缝宽度验算、抗浮及稳定验算、满足构造要求等。水池存在于各行各业中，尤其市政、电力、冶金、化工、水泥等各行业都有专门的水池结构设计规范。笔者曾从事过上述好几个行业，在水池结构设计中积累一些经验，和各位一并分享，同时也遇到了一些困惑，和各位同仁共同探讨。

1 水池结构设计经验分享

首先，需要结合地质资料、池子大小、功能要求、池体形式确定抗浮水位、防腐等级及措施、底板厚度、池壁厚度、顶板厚度、底板悬挑长度、梁、柱、护壁等布置，按照池内有水、池外无土，池内无水、池外有土的原则，取各工况最不利组合计算配筋及裂缝，反复调整上述数值，直至相对经济、满足规范要求；其次将各提资专业提出的埋件、孔洞、套管等落实到模板图上；最后再结合一些构造加强措施、结构总说明等形成完整结构图。通常设计者利用相关计算软件，输入模型进行结构计算；亦可以结合《钢筋混凝土水池设计计算手册》、《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》、《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》等资料手算，整理编辑即可。

上述是常规的设计流程，笔者通过大量的工程实践，得出一些设计经验，在此抛砖引玉：

（1）抗浮水位的确定。目前规范尚无明确的抗浮水位规定，如地下水位常年较高处，我们设计时通常取设计地面以下0.5m，丰水季节水位高时，浮力按地下水位最低值和最高值的比例打折，且抗浮水位不大于设计地面以下1m。

（2）配筋。水池壁厚度不大于200mm时，地上水池和埋深不大于2m的地下水池，池壁中间可以只配置一道钢筋。

（3）底板悬挑。并不是所有的水池都要求底板悬挑，只有当底板作为池壁的嵌固端或者水池整体抗浮不够时增加土的压重才设置。

（4）池壁加腋。池壁拐角处应力集中，设置池壁加腋主要是改善其受力状态。

（5）扶壁。敞口水池池壁高度大于7m时才考虑设置扶壁，必要时可以增加肋梁，用来加强刚度和平面外稳定性及改变力的传导方式；5～7m时一般考虑变截面设置，壁厚取池壁高度1/15～1/10。

（6）最大裂缝宽度。水工和混凝土结构设计规范中，最大裂缝宽度是根据环境类别确定，石油化工水池设计规范通常是根据防水等级确定。

（7）防腐措施及保护层厚度。水池外壁，底板外侧等，根据水和土分别对砼和钢筋的腐蚀等级采取相应的防腐措施和保护层厚度，池内则根据工艺提资的介质腐蚀等级采取相应的防腐措施和保护层厚度，均不得小于规范最低要求。

（8）配筋率。通常底板和池壁的负弯矩较大，从而拐角处的配筋很大，裂缝过大，在满足裂缝宽度的前提下，截面承载力足够，此时大都按照最小配筋率配置钢筋。

（9）局部抗浮。通常我们做水池时，直接验算整体抗浮，当水池内有支承结构时（例如内有立柱），因浮力分布不均匀，局部浮力比较大，导致单独的支承结构轴向上移，从而造成底板和顶板开裂，故需要验算局部抗浮。

2 水池结构设计困惑探讨

（1）受力钢筋最小配筋率。《混凝土结构设计规范》GB 50010-2015 8.5.1规定，受弯结构构件的纵向钢筋最小配筋率取0.20和45ft/fy的较大值，注5说明了受弯构件、大偏心受拉构件一侧受拉钢筋的配筋率应按全截面面积扣除受压翼缘面积（b′f-b）h′f后的截面面积计算；但《水工混凝土结构设计规范》SL 191-2008第9.5.1规定，受弯构件、偏心受拉构件的受拉钢筋最小配筋率与钢筋的种类还有构件种类有关，梁的最小配筋率当钢筋种类为HPB235级时，最小配筋率为0.25，当钢筋种类为HRB335级、HRB400级、RRB400级时，最小配筋率为0.20，构件按板计算时，最小配筋率相应减小0.05，注1说明了配筋率是指钢筋截面面积与构件肋宽乘以有效高度的混凝土截面面积的比值；《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》SH/T 3132-2013表9.1.5-1规定，受弯构件每一侧的受拉钢筋最小配筋率取0.25和45ft/fy的较大值，受弯构件并未说明是全截面还是有效截面，遇到此类问题，我们该如何取值呢？

（2）构造钢筋。《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS 3138 第7.1.10规定：截面厚度不大于50cm时，其里、外侧构造钢筋的配筋百分率均不应小于0.15%，截面厚度大于50cm时，其里、外侧均可按截面厚度50CM配置0.15%构造钢筋；《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》SH/T 3132-2013第9.1.5-（e）当采用构造配筋时，其内、外侧构造配筋的配筋率均不宜小于0.15%。虽然就不应和不宜的区别，作为总承包单位需要节约成本会有所突破，但审图机构往往从严要求。

（3）拐角交界处的加强。水池池壁与池壁、池壁与底板拐角交界处，往往存在应力集中，而通过加腋来减小裂缝宽度，同时额外增加构造加强筋。通常池壁的竖向配筋要锚入底板，池壁内外侧再额外增加负筋，比如底板处的受力配筋是φ16@200，此时四角的加强钢筋可以是4φ18，也可能是4φ20、4φ22、4φ25等，此处这个加强筋，规范缺少确切的适用范围及定量描述。至于加腋的高度，只规定最小150mm，以及不小于池壁厚度的一半等，与受力大小缺少必要的联系。

（4）池壁连梁。敞口水池当池壁顶端有走道板，板厚不小于200mm，宽厚比不大于5，其横向水平支撑构件（板或梁）的间距与池壁计算高度的比值小于2，且走道板满足横向受力要求和构造要求时，走道板可作为池壁的弹性固定支撑或不动铰支撑，此时各构件受力较为明确，但当没有走道板却加设横向连梁，我们在计算时基本是将池壁作为悬臂构件，忽略连梁的存在，误以为属于附属加强措施。地下式水池，连梁通常承受主动土压力引起的轴向压力，由于梁刚度远小于池壁刚度，池壁可视为梁的固定支座，但我们往往忽略梁的变形反作用于池壁的内力，导致交界处出现裂缝，同样地上式和半地上式水池，水压力及相关的水平力组合作用除会引起上述破坏外，还会漏算其引起的拉力导致连梁开裂。敞口水池池壁之间有拉梁的情况，我们在设计时，除梁水平加腋、竖向加腋外，梁两边的池壁内外侧是否也需要增加钢筋，增加多少、范围如何确定？亦或在池壁上做牛腿，将砼梁或钢梁简支于其上，才是相对经济的方案？

（5）局部抗浮。防水底板厚度的确定，首先要满足上部结构和浮力等作用下的承载力和变形要求，局部抗浮主要是防水底板在水浮力作用下发生较大裂缝或变形，向上挠度及裂缝过大，需要通过将防水底板做厚、钢筋配足，以及设置平衡层或者锚杆、打桩等措施满足局部抗浮。所有的这些，对整体抗浮都是有利的。然而设计手册、各相关教材无一例外都是先验算整体抗浮，不够再去调整，诸如增加池底板悬挑长度，增加构件厚度、增加配重，抗浮桩等。局部抗浮不够同样需要采取上述措施，那我们的设计过程是不是应该颠倒一下才更好呢？