钢筋混凝土水池设计要点

蔡靖

摘要：钢筋混凝土水池是市政工程中常用的储水构筑物，广泛应用于城镇公用设施和工业企业中的一般给水排水工程。随着市政设施逐步完善，钢筋混凝土水池的类型越来越多，受力情况越来越复杂，本文通过分析水池结构的主要荷载以及内力组成及结构计算，提供水池结构需注意的设计要点，对钢筋混凝土水池类结构设计进行了具体的研讨和总结。

关键词：钢筋混凝土结构;水池设计;设计要点

钢筋混凝土水池结构的设计应该从多个方面考虑、不同工况出发，不仅需要考虑工艺流程对结构产生的作用和影响，还要考虑到水池结构完工投入生产使用后，受力情况发生的变化，综合各种最不利工况，从强度、刚度和变形的角度，对水池结构进行计算，保证水池设计安全适用、经济合理、质量优良。

一、水池结构的主要荷载

作用在钢筋混凝土水池结构上的荷载根据其受力性质的不同，主要可以分为两类，第一类为永久荷载作用，第二类为可变荷载作用。永久荷载作用包括以下几个方面：结构自重、池外土体产生的侧向压力及竖向压力、池内盛水产生的水压力等;可变荷载作用包括：池顶部操作荷载、走道的活荷载、池壁面温（湿）度变化作用、地面堆积荷载等。

暴露在大气中的地上式水池（一般可根据水池壁板埋深来确定，当水池壁板埋深小于池壁高度的一半时，可按地上式水池）或露天水池，应考虑池壁的壁面温（湿）差作用。地下式水池或设有保温措施的有盖水池，可不考虑壁面温度、湿度变化作用。

二、水池结构内力组合分析

在进行水池结构设计计算时，首先要考虑的是结构的整体稳定计算，包括抗浮计算、抗滑移计算、抗倾覆计算等。一般来说，当地下水位较高时，水池需考虑抗浮问题。在空池工况下，根据勘察单位提供的抗浮设计水位，计算水池依靠自重抵抗浮力作用。若抗浮系数不满足要求，则需采取抗浮措施，比如增设抗拔桩、池顶覆土配重、增大池底板飞边等。对于挡水墙式结构体系，或水池设置通长伸缩缝时，需考虑水池在池内水水平荷载作用下，整体抗滑移是否满足。

其次，依据水池具体的结构布置、工艺流程、地质情况等，在对荷载以及内力的组成情况进行充分的了解和掌握后，选择相应的最不利内力组合。水池一般存在三种内力组合：试水工况时，池内有水，池外无土，此时池壁承受池内水产生的侧向压力;检修工况时，池外有土，池内空池无水，此时考虑池外水土对池壁产生的侧压力;正常使用时，需考虑池内满水，池外有土。对于多格水池，还需考虑池内部分满水，部分放空的情况。

水池结构构件按作用效应考虑不同工况的荷载组合，需计算以下两种状态，即按作用效应的基本组合进行承载能力极限状态下的强度计算，以及按作用效应的准永久组合进行正常使用极限状态下结构构件的变形、裂缝计算。对于构件处于轴心受拉或小偏心受拉时，还应按作用效应的标准组合进行抗裂度验算。

三、水池结构的内力计算

（一）底板内力计算

水池底板所承受的荷载主要包括两方面，一方面为地基反力，一方面为地下水浮力。

当底板跨度较小（小于4.0米）时，地基反力可假定为按直线分布。一般可认为底板简支于与其相交的池壁板，同时在池壁侧面荷载的作用下，池壁的底端弯矩将传递给底板。池底板根据水池每格的长宽比进行划分，一般可划分为单向受力底板（单格水池的长短边比L1/L2>2）和双向受力底板（单格水池的长短边之比L1/L2≤2），计算时可相应按照单向截取截条、双向截取截条来进行计算，单跨水池采用单跨连续板、多跨水池采用多跨连续板。单向受力底板计算，需考虑水池放空的不利影响，但不考虑多格池均满水的情况。对于双向受力底板计算，作用于底板上的荷载，需沿x和y方向进行分配，以作为各截条上的荷载。各向分配荷载按下式计算：

qx=xq

qy=（1-x）q=q-qx ，其中，x的取值与板的长宽比有关。

底板受力计算需同时考虑最不利盛水组合。

当底板跨度较大，采用直线假定分布已不适用时，可按弹性地基上的底板计算。对于荷载沿底板长度方向均匀分布的长条板，计算方法为顺底板的横向截取单位宽平面变形截条计算。

（二）池壁内力计算

在计算池壁内力的过程中，首先确定池壁板的边界条件。一般池壁与池壁、池壁与底板相交处，可考虑为壁板的固定端;池壁与顶板相交处，可考虑为壁板的简支端，当池顶无顶板时，为自由端。当壁板的长度及高度的比值在0.5-3之间时，可按双向板计算。

当池壁壁板为四边支承，但其长度与高度的比值大于2.0;或三边支承，但其长度与高度的比值大于3.0时，还需要考虑壁板水平向角隅处的局部负弯矩。

四、水池结构设计中的注意问题

钢筋混凝土水池需采用抗渗混凝土，即充分考虑混凝土本身所具有的密实性，采用混凝土自防水，以此来满足池体的抗渗要求。

混凝土裂缝对水池影响较大，应严格控制裂缝不超出规范限值。初期的预防措施为：施工做好混凝土的早期养護工作，这样能够有效地控制构件的湿度，从而尽量降低混凝土收缩的概率，防止因为内部约束导致开裂的情况发生。

五、水池裂缝成因分析及处理方法

当混凝土存在拉应力时，因其抗拉强度较低，这种情况下就容易产生裂缝。钢筋混凝土水池裂缝可分为两种，即非结构性裂缝及结构性裂缝。

当裂缝宽度能够保持在限值范围内，结构可以正常使用，不存在安全性问题时，此类裂缝可认为是非结构性裂缝。考虑到结构耐久性，可采取相应的修补措施。

当裂缝宽度超出了规范限值，或结构的安全性、耐久性存在问题时，此类裂缝可认为是破坏性裂缝。

（一）非结构性裂缝成因及控制

此类裂缝是由于结构构件内部自身的应力所导致。在混凝土的浇筑过程中，会产生大量的水化热，导致混凝土内部温度急剧上升，而混凝土表面温度较低，内胀外缩，在结构内部产生压应力，表面产生拉应力，从而形成温度裂缝。同理，当使用期水池池壁内外侧存在温（湿）差时，由于混凝土的热胀冷缩，亦会产生应力形成裂缝。

为有效控制此类裂缝的形成及发展，在施工期間应采用合理的混凝土配合比，把握外界温度不宜过高或过低。对于超长型水池，可通过设置后浇带、现浇加强带、伸缩缝、施加预应力等措施，减少非结构性裂缝的发生。

（二）结构性裂缝成因及控制

在荷载作用下，如果水池结构不具有足够的承载力、构造措施不满足要求或施工质量差等，可能引起结构较大的变形，以及形成结构性裂缝。此类裂缝潜藏着结构的危险性，也是破坏开始的征兆，需要根据裂缝的形式及原因，采取相应的加固补强措施。

为避免此类裂缝，在设计阶段应充分考虑水池可能存在的各种最不利组合工况，并根据受力的基本组合和准永久组合、标准组合，分别计算构件的强度、变形和裂缝、抗裂度等。

六、钢筋混凝土水池分类

钢筋混凝土水池可以采用多种方式进行划分：根据结构的平面布置，可分为矩形水池、圆形水池等;根据水池的实际用途，可分为蓄水池、水处理水池等。在这其中，有较大部分的水池是地下式或半地下式，这时候池外壁所承受的土压力能够将池壁内所承受的水压力进行一定的平衡，使水池结构处于较小的受力状态，但是，仍需按照荷载可能存在的最不利组合，控制构件的强度和裂缝。

结束语：

综上所述，钢筋混凝土水池结构已经被广泛地应用到工业及市政基建中，在设计过程中，应该严格把握水池设计的各个方面，包括荷载的分类及计算、温（湿）度考虑、受力分析、裂缝控制等，作为整个设计的关键点，以确保设计出具有较高可靠性以及实用性的钢筋混凝土水池。

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