钢筋混凝土浅壁水池结构设计方法对比分析

2021-03-22白贵斌

甘肃科技 2021年23期

白贵斌

（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃兰州 730000）

污水厂内构筑物多为钢筋混凝土水池，常用工艺的核心处理构筑物均较大，且多浅壁水池，因其尺寸较大，建设所用的材料也较多。钢筋混凝土结构因自重大、施工工序复杂等原因，造成其建设成本也较大。而采用不同的结构形式，材料的用量会有相对的变化，且有时变化会较大，由此带来的建设成本的变化会更大。因此，在满足工艺要求的前提下，结构设计应以合理布局、受力明确,以及安全、经济和实用为原则[1]，选择经济且可靠的结构形式，减少钢筋混凝土材料的用量，降低建设成本。

1 结构设计方法

水池的结构设计，是对水池各部位结构构件截面尺寸及配筋的确定过程，根据各构件的受力特点及受力情况，选择最优截面是设计的最终目的。水池结构构件的内力计算按不同的工况分别进行：通常有池外有土池内空、池外无土池内满水、池外有土池内满水三种工况。

水池基础一般为桩筏基础或平板式筏板基础两类。桩筏基础的受力特征：上部结构的重量通过墙传至筏板基础或直接作用于筏板，再由筏板传至桩基、桩基传至地基。因此，桩筏基础的设计分两步：（1）计算上部包括筏板在内的最大重量，确定合理的桩径，根据地质勘查报告及JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》计算单桩承载力与根数，调整布置，以满足承载力要求；（2）筏板的受力受桩基与筏板下地基土的综合影响：工程刚完工时，地基沉降不大，筏板受地基土反力作用，此时不考虑桩基对筏板的支撑，综合上部结构的工况进行底板受力及配筋的计算；工程完工且使用一点时间后，地基土在筏板压力及自重作用下有一定的沉降，而桩基桩端土埋藏较深且土层更为稳定，其沉降很小，因此桩基的沉降也很小，而桩基和筏板下地基土的沉降差会造成地基土对筏板的支撑作用减小直至消失，此时不考虑地基土的支撑作用，上部结构完全由桩基支撑，选取合理的模型与截面，计算满水运行时底板内力与配筋。综合考虑以上两种情况，选取合理的底板截面并复核配筋。

平板式筏板在无地下水影响时只受地基反力及池壁的作用，设计时应按各工况分别进行底板反力与内力的计算，对比各工况结果，选取控制工况完成设计。

对有抗浮要求的水池，计算抗浮稳定系数，根据结果评估是否满足要求，不满足要求时，采用配重或抗拔桩等抗浮处理措施，保证结构的安全。配重一般位于底板，做法为在底板底部增加一层钢筋混凝土垫层或增加壁板、顶板的厚度，厚度由计算确定，而底板仍按平板式筏板计算；抗拔桩为摩擦桩，桩径及根数、布置由计算确定，底板除以上三种工况外还应考虑空池检修时水浮力作用的计算。

壁板为竖向结构构件，一般均为受弯构件，作用为水压力与土压力等，设计时选取合理截面，按各类工况进行内力及配筋计算。水池内各结构构件的受力情况均较为复杂，尤其是底板，因此，水池的设计是对比其各个结构构件在各类工况下的计算结果，选择最大内力进行包络设计，以达到经济、安全的目的。截面尺寸的选取尤为重要，水池结构混凝土一般考虑防腐抗裂、防水防冻等措施，因此，选择合理的截面不仅会减小混凝土的用量，其他材料的用量也会随之减小。

2 结构形式的选择

浅壁水池壁板一般为单向板且与地基土接触的外侧壁板为受力壁板，池内各部分之间一般有洞口连通，故隔墙多为不受力或受力较小的构造壁板。因此，浅壁水池设计的重点在于外侧壁板与底板。池壁为受弯构件，其底部固结于底板，水平两端固结于其他壁板，顶部按有无盖板采用简支或自由模型。池内隔墙厚度及配筋一般按构造确定，对部分受力的池内隔墙可计算复核；外侧壁板按三种工况设计。

2.1 壁板

浅壁水池外侧壁板可采用等截面单向板、变截面单向板、加扶壁以及加肋梁等结构形式，如图1所示。根据荷载及支撑情况可知其内力分布情况：壁板顶部弯矩为0，跨中弯矩较小，根部弯矩较大。壁板的经济配筋率为0.4%～0.8%，设计时综合考虑壁板高度、经济配筋率及壁板根部、中部弯矩，选取壁板结构形式为等截面或变截面等形式。

图1 外侧壁板结构形式

池壁高度不大于3.0 m 时，考虑耐久性等因素可采用等截面形式；池壁高度较大时，可采用变截面形式，厚度自根部向上线性减小，相对等截面形式，常规情况下混凝土的用量减小10%～20%，而壁板根部厚度不变，配筋不变，壁板中部弯矩较小，顶部自由时壁板中部一般为构造配筋，配筋不会变大，顶部简支时壁板中部弯矩较简支稍大，配筋一般有较小变化，因此钢筋的用量基本无变化或变化较小；对水池壁板，池壁厚度的选取与池壁高度的三次方有正相关关系，而变形与池壁高度的四次方有正相关关系，因此，池壁高度较大时，会造成壁板根部厚度很大且变形不能控制，此时变截面形式不再适用，应加垂直扶壁或水平肋梁，将壁板由单向受力情况变为双向受力情况，大大减小区格内壁板的最大弯矩，此时根据区格的最大弯矩与经济配筋率计算壁板厚度，选取较小且合理的截面尺寸，达到经济的目的。

2.2 底板

地基土质的力学性质及水池是否受地下水影响对底板受力的影响很大，根据具体情况，底板采用厚度不变的大底板结构和厚度变化的挡水墙加构造底板结构两种形式，如图2 所示。

图2 底板结构形式

无地下水影响：（1）地基承载力较弱时，一般为小于150 kPa，底板通常采用厚度不变的大底板结构，由于地基土在不均匀的压力作用下容易产生不均匀沉降，而矩形水池对地基的不均匀沉降反应敏感，且不均匀沉降会影响基础裂缝的发展[2]，因此，采用大底板可提高底板刚度，调节地基不均匀沉降，避免底板损坏的现象发生；（2）地基承载力较强时，其能承受较大的荷载且变形相对较小，外侧壁板与底板连接部位设计为挡水墙，中部底板可按设计减小厚度或采用构造底板。挡水墙由垂直壁板与壁基组成，其设计原则同挡土墙，壁板可采用变截面形式或增加垂直扶壁及水平肋梁的形式，壁基的长度按挡水墙的稳定计算确定，一般H 为0.4～0.8 m（H为垂直壁高度），垂直壁板顶部有支撑时取小值、顶部无支撑时取大值。构造底板厚度一般为受力底板厚度的0.5～0.6 倍，混凝土的用量可减少40%～50%，钢筋的用量按构造配筋减少。

有地下水影响：采用大底板形式，不可采用变厚或构造底板，且应对其受力情况进行具体分析。（1）抗浮稳定性满足要求时，计算单位面积底板的水浮力是否大于底板反力，故按两种情况选择合理的模型计算大底板内力并配筋，水浮力小于底板反力时，按底板反力计算，不考虑水浮力的影响，水浮力大于底板反力时，应按水浮力的大小代替底板反力进行计算；（2）抗浮稳定性不满足要求时，即计算抗浮稳定系数小于规范限值1.05[3]，应采用配重或抗拔桩并计算底板内力及配筋。计算抗浮稳定系数稍小于规范给定限值时，可采用配重方式，采用底板配重时，由于配重部分受水浮力作用，其作用相对于增加池壁与顶板厚度较小，而增加顶板厚度时，顶板及底板所受内力及配筋均有所增加，增加壁板厚度时，从受力情况及构造角度出发，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稳定性时，应综合考虑所取方案带来的经济效益，选择较为合理的方案；计算抗浮稳定系数小于规范给定限值较大时，配重不再经济，采用抗拔桩方式则可更为有效的解决问题，且更为经济。当筏板基础下的软弱土层较厚时，应综合考虑地基对基础形式及抗浮措施的影响。

2.3 顶板

对有盖的部分，其顶盖支撑均为水池壁板。顶板厚度根据支撑情况及支撑间的跨度及荷载计算确定，当跨度较大，计算的板厚及配筋均较大时，应布设钢筋混凝土梁，减小板的跨度、厚度及配筋。也可对顶板采用预应力结构，这样可减小顶板的建设成本，但会影响壁板的受力状态：在壁板顶部预加了一个向内的水平力。水池顶板的支撑结构为水池壁板，水池壁板受水压力荷载作用时，会将部分作用传递至顶板，使顶板受轴力作用，故预应力顶板水池在试水工况时，施加的水平预应力可抵消全部或一部分池壁板传递的水压力的作用，对顶板抗裂有利，同时预应力传递至壁板，与水压力综合作用时减小了壁板内根部的竖向作用与竖向钢筋配筋面积，但却增大了壁板外中部的竖向作用与钢筋配筋面积；池外有土池内空工况下，施加的水平预应力与池外土压力综合作用，提高了壁板外根部的竖向作用与配筋面积；池外有土池内满水工况下，由于无地下水影响时土压力作用一般小于水压力作用，水平预应力与土压力、水压力综合作用时，壁板在前两种工况的配筋下工作更易达到平衡。对有抗浮要求的水池，可综合考虑预应力方案、顶板厚度与配筋。因此，顶板预应力设计、厚度与配筋，应按计算选取较为经济合理的方案执行。