谈钢筋混凝土矩形水池侧壁结构设计

林晓伟 张书涛 李明森

(1.中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131；2.大庆石化公司炼油厂污水车间，黑龙江 大庆 163714； 3.辽宁男票煤电有限公司煤矸石热电分公司，辽宁 葫芦岛 125127)

1 工程概况

本工程为天津市某公司污水处理工程中的一级沉淀池。该结构为敞口多格地下矩形水池。水处理池为钢筋混凝土特种结构,它由各种类型的池壁、底板等单元构件组成,结构形式和荷载条件比较复杂。

2 荷载统计、内力计算及两种结构方案

一级沉淀池属于多格水池,池高H=6 m,侧壁L1=12 m,侧壁L2=9 m,如图1所示。

本文以侧壁L1为例进行阐述，根据施工和使用阶段确定,有下列两种工况需要考虑:

施工试水阶段(有水无土):池内满水侧压力+温度荷载;

使用检修阶段(有土无水):土的侧压力+温度荷载。

水处理池埋入地下不考虑温度荷载的作用。无论在施工试水阶段还是在使用检修阶段,有水无土,有土无水,池壁都视为偏心受拉构件。根据水处理池池壁的高宽比和池壁的约束条件选取池壁的计算系数。敞口水处理池池壁顶端无约束为自由端,池壁与池壁、池壁与底板的约束为固定端。本文将阐述施工试水阶段对池壁侧壁(L1)的计算中两种方案的比较。

侧壁的内力及强度计算:

荷载计算(水侧压力):q=1.2γhl=1.2×10×6×1=72 kN/m(γ为水的比重,10 kN/ m3)。

2.1 方案1:中间不设扶壁方案

中间不设扶壁图见图2。

L1/H=12/6=2,侧壁在三角形水平荷载作用下,壁板为三边固定一边自由的矩形板,Lx=12 m。水平向角隅处存在内部负弯矩,可按下式计算:

侧壁的内力及强度计算:内力计算(弯矩以池壁内侧受拉为正):

其中，Mx为池壁沿高度1 m截面,池壁角隅处的水平向弯矩,kN·m；mx为弯矩系数,-0.017 50，0.021 50；q为三角形荷载的最大值,72 kN/m。

Mx=-0.017 50×72×122=-181.44 kN·m,

My= -0.021 50×72×122=-222.9 kN·m。

截面计算:采用C30抗渗混凝土,HRB335级钢筋,取壁板厚450 mm,污水水池混凝土保护层取40 mm，竖向受力钢筋按控制裂缝宽度ξ=0.25 mm考虑,查《给水排水工程结构设计手册》表2.3.2-96水平筋选取φ16@100,竖向筋选取φ18@100,满足要求。可将1/4H水平和垂直范围外的竖向钢筋减少1/2,即水平筋选取φ16@200，竖向筋选取φ18@200。

2.2 方案2:设扶壁方案

设扶壁图见图3。

在池侧壁外侧设置垂向扶壁,扶壁间距根据工程的实际情况确定为4 000 mm。内力及强度计算:因L1/H=4/6=0.67,则侧壁在水平荷载作用下,壁板可视为三边固定一边自由的矩形板,Lx=4 m。水平向角隅处存在内部负弯矩,可按下式计算:

侧壁的内力及强度计算:内力计算(弯矩以池壁内侧受拉为正):

其中，Mx为池壁沿高度1 m截面,池壁角隅处的水平向弯矩,kN·m；mx为弯矩系数,-0.041 63，0.419 1；q为三角形荷载的最大值,72 kN/m。

Mx=-0.041 63×72×42=-47.95 kN·m,

My=-0.041 91×72×42=-48.28 kN·m。

截面计算:采用C30抗渗混凝土,HRB335级钢筋,取壁板厚300 mm,污水水池混凝土保护层取40 mm，竖向受力钢筋按控制裂缝宽度ξ=0.25 mm考虑,查《给水排水工程结构设计手册》表2.3.2-86水平筋选取φ12@100,竖向筋选取φ12@100,满足要求。可将1/4H水平和垂直范围外的竖向钢筋减少1/2,即水平筋选取φ12@200，竖向筋选取φ12@200。

3 两种方案对比

方案1施工简单，模板用量小，但是池壁厚，混凝土和钢筋用量大，方案2增加了两道扶壁施工较方案1复杂，但是大大减少了混凝土和钢筋的用量。但是目前好多水处理项目都是在现有化工厂进行提标改造设计，空间上有时不允许考虑增加扶壁的设计方案，所以大多工程项目还是采用方案1。

4 结语

根据实际条件选取合理的设计方案，达到工艺专业的要求，做到既经济合理又安全可靠。水处理池结构设计除了根据工艺专业条件作内力强度计算外,还需要采取构造措施,来达到工程上水池的抗裂要求。通常较大水处理池侧壁与侧壁之间、侧壁与底板之间采取构造加腋(八字角)，减小角隅应力。较大水处理池还通常采用伸缩缝或后浇带来减少温度裂缝的影响。同时为了使我们的设计方案更加合理，设计人员也应该掌握一定的施工知识。