胡建強(qiáng)
(立誠建筑設(shè)計院有限公司,蘇州215200)
水池是工業(yè)與民用建筑中常用的構(gòu)筑物。在各種材料的水池中,鋼筋混凝土水池因具有耐久性好、構(gòu)造簡單、造價低等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用最廣。鋼筋混凝土水池按用途可分為水處理用池和貯水池;按水池建造位置可分為地上式水池、地下式水池和半地下式水池;按幾何形狀可分為圓形水池和矩形水池;按結(jié)構(gòu)型式可分為封閉式水池和開敞式水池;按施工方法可分為整體式、裝配式和裝配整體式水池;按配筋方式可分為非預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力水池。
水池池壁可做成不同的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力大小及其分布情況,主要有等厚池壁和變厚池壁2種。其中等厚池壁又可分為矩形水池和圓形水池,前者常用于容量在200m3以下的情況,后者常用于容量在200m3以上1 000m3以下的情況。而變厚池壁常用于容量大于1 000m3的水池池壁。
貯水池的頂蓋和底板多采用平頂和平底型式。水處理用池由于工藝的特殊要求,池底常做成倒錐殼、倒球殼,或多個旋轉(zhuǎn)殼體組成的復(fù)雜型式。倒錐殼和倒球殼組合池底形成的加速澄清池,如圖1所示。
作用在水池上的主要豎向荷載有池頂荷載和池底荷載,主要水平荷載有池壁荷載,如圖2所示。
作用在池頂上的荷載主要有頂板自重、構(gòu)造層重、上覆土重、活荷載和雪荷載。其中活荷載和雪荷載不同時考慮,計算時取2者中的較大值。
對于整體式底板而言,所謂池底荷載指的是底板所受的地基反力和地下水產(chǎn)生的浮力,其效果是在底板中產(chǎn)生彎矩和剪力。相應(yīng)的計算公式為
池壁承受的荷載主要是作用于水平方向的水壓力和土壓力。
池壁水壓力按三角形分布,池內(nèi)底面處的最大水壓力標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為
池壁土壓力按主動土壓力計算,池壁外側(cè)壓力按梯形分布。
池壁頂端外側(cè)壓力組合標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為
池壁底端外側(cè)壓力組合標(biāo)準(zhǔn)值計算公式為
除了上述最常見的荷載之外,還有一些其他作用會對水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。設(shè)計中主要考慮的有溫度和濕度變化以及地震作用等,它們都會對水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力,在設(shè)計中必須加以考慮。
溫度和濕度的變化會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生膨脹或收縮變形,若這種變形受到約束就會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生相應(yīng)的附加應(yīng)力,稱為溫度應(yīng)力和濕度應(yīng)力。導(dǎo)致這種溫度或濕度應(yīng)力產(chǎn)生的原因可以歸納為2個方面:池壁內(nèi)外的溫濕度差異和施工與使用期的溫濕度差異。前者指的是使用期內(nèi)池內(nèi)水溫與池外氣溫(土體溫度)存在差值,后者指的是施工期混凝土硬化后與使用期的最值溫度存在差值。
地震作用也可能對水池結(jié)構(gòu)造成破壞,設(shè)計中也需要加以考慮,一般僅需驗(yàn)算水平地震作用。與地上結(jié)構(gòu)相比,由于整體式鋼筋混凝土水池的整體性能好,具有良好的抗震性能,能夠抵御一定烈度的地震作用。因此在設(shè)計過程中,對于設(shè)計地震烈度為7度及以下的地面式和地下式水池,以及設(shè)計地震烈度為8度,但平面較規(guī)則(長寬比小于1.5)且沒有變形縫(整體性好)的有頂蓋地下式鋼筋混凝土矩形水池不需專門作抗震驗(yàn)算,而只需采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。當(dāng)設(shè)計地震烈度較大的9度及以上時,除需計算水平地震效應(yīng)外,還要計算豎向地震作用效應(yīng),并將2者進(jìn)行組合,一般采用平方和開平方的方法進(jìn)行。
水池一般應(yīng)根據(jù)下列3種不同的荷載組合方式分別計算內(nèi)力:
1)池內(nèi)滿水,池外無土;
2)池內(nèi)無水,池外有土;
3)池內(nèi)滿水,池外有土。
下面以鋼筋混凝土矩形水池為例,對其設(shè)計方法和流程進(jìn)行介紹,圓形水池的設(shè)計與之類似,不再專門列出。
在側(cè)向荷載作用下,不同長高比的水池池壁受力情況是不同的,其計算假定需符合實(shí)際受力情況。池壁在側(cè)向荷載作用下單、雙向受力的劃分標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。
表1 側(cè)向荷載作用下池壁單、雙向受力的劃分標(biāo)準(zhǔn)
1)開敞式水池
擋土(水)墻式水池池壁:按頂端自由、底端固定的邊界條件進(jìn)行計算;雙向板式水池的池壁:頂邊按自由計算,底邊一般可視為固定支承;水平框架式水池:與底板的連接處可按固定端考慮,相鄰池壁間可視為彈性固定。
2)封閉式水池
擋土(水)墻式水池:應(yīng)根據(jù)池壁和頂板的線剛度之比來確定池壁的邊界條件。當(dāng)池壁線剛度與頂板線剛度之比大于5時,池壁頂端可視為鉸接,否則應(yīng)按彈性固定計算。池壁與底板的連接處可按固定端考慮。
雙向板式水池的池壁:按與上述封閉式擋土(水)墻式水池相同的原則確定池壁頂端邊界條件,底邊一般可視為固定支承;水平框架式水池:頂板的連接應(yīng)根據(jù)構(gòu)造及剛度關(guān)系按鉸接或彈性固定考慮,底板的連接一般可按固定考慮。
1)平面布置
矩形水池的平面一般是長方形的,其布置應(yīng)由地形來確定。
2)基礎(chǔ)形式
擋土(水)墻式水池基礎(chǔ)通常采用在池壁下設(shè)置帶形基礎(chǔ),而底板采用鋪砌式結(jié)構(gòu);雙向板式和水平框架式水池基礎(chǔ),底板通常做成整體式。
3)伸縮縫的設(shè)置
伸縮縫的設(shè)置根據(jù)建造位置進(jìn)行考慮。
對于建造于土基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地上式水池,伸縮縫的間隔不宜超過20m;溫度區(qū)段的長度不宜超過20m;對于建造于巖基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地上式水池,伸縮縫的間隔不宜超過15m。
對于建造于土基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下式水池,伸縮縫的間隔不宜超過30m;對于建造于巖基中的現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下式水池,伸縮縫的間隔不宜超過20m。
伸縮縫宜做成貫通式,在池壁、基礎(chǔ)及底板處均斷開,縫寬不宜小于2mm。
4)擋土(水)墻式水池池壁結(jié)構(gòu)型式
開敞式擋土(水)墻式水池池壁,宜做成變厚度池壁,池壁底厚=1.5倍池壁頂厚;開敞式擋土(水)墻式水池池壁,做成等厚度池壁;雙向板式水池池壁,一般做成等厚池壁;水平框架式水池池壁,一般做成階梯式變厚池壁。
當(dāng)水池基礎(chǔ)采用整體式底板時,一般可假設(shè)地基反力為均勻分布。地基承載力驗(yàn)算公式為
式中,fa為修正后的地基持力層承載力特征值,按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2002)的規(guī)定確定。
當(dāng)水池底面標(biāo)高在地下水位以下,或位于地表滯水層內(nèi)而又無排除上層滯水措施時,地下水或地表滯水就會對水池產(chǎn)生浮力。當(dāng)水池處于空池狀態(tài)時就有被浮托起來或池底板和頂板被浮力頂裂的危險。此時,應(yīng)對水池進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。
1)水池整體抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算
矩形水池的計算要點(diǎn)有以下幾個方面:對于地上式水池,需考慮池內(nèi)滿水和壁面溫差效應(yīng);對于地下式水池,需考慮池內(nèi)滿水、池外無土和池內(nèi)無水、池外有土2種工況。池壁及底板的受力性質(zhì)主要分為受彎、偏心受拉和偏心受壓3種情況。當(dāng)池壁池底處于受彎、大偏心受壓或大偏心受拉時,池壁及底板允許出現(xiàn)裂縫,按受彎構(gòu)件進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。當(dāng)池壁池底處于小偏拉時,不允許出現(xiàn)裂縫,按軸心受拉構(gòu)件進(jìn)行抗裂度驗(yàn)算。無頂蓋擋土墻式水池采用分離式底板時,應(yīng)驗(yàn)算池壁的抗傾覆穩(wěn)定性及抗滑移穩(wěn)定性。采用整體式底板的地下式矩形水池,當(dāng)?shù)叵滤桓哂诘装宓酌鏁r,應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。
對于擋土(水)墻式水池,遵循下列設(shè)計步驟:
1)初步估算池壁底端的厚度,基礎(chǔ)底板的厚度一般選成與池壁底端厚度相同;
2)選定基礎(chǔ)的寬度和它伸出池壁以外的寬度;
3)按所選的池壁及基礎(chǔ)截面驗(yàn)算穩(wěn)定性及基底土體應(yīng)力;
4)計算池壁和基礎(chǔ)的內(nèi)力及配筋,并驗(yàn)算裂縫。
2)水池局部抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算——僅對池內(nèi)有中間支柱的封閉式水池
水池底板一次澆筑完成,底板與池壁的施工縫在池壁下八字以上150~200mm處,底板與柱的施工縫設(shè)在底板表面。水池池壁豎向一次澆到頂板八字板以下150~300mm處,該處設(shè)施工縫,柱基、柱身及柱帽分兩次澆筑,第一次澆到柱基以上100~150mm,第二次聯(lián)通柱帽一起澆至池頂板下皮,池頂一次完成。
首先對施工縫進(jìn)行鑿毛處理。當(dāng)池壁根部混凝土強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa時開始鑿毛,鑿毛應(yīng)用剁斧或尖錘輕錘將混凝土的不密實(shí)表面及浮漿鑿掉露出新茬,鑿毛過程中要注意保護(hù)混凝土的棱角,不要將粗集料剔出。
池壁鋼筋綁扎時應(yīng)重點(diǎn)控制好內(nèi)外層鋼筋的凈尺寸,為此可采用排架或板凳筋作法。
對正常厚度的池壁,池壁模板一次支到頂板腋角以下200~300mm左右。
混凝土澆筑平臺與池壁模板連成一體時,應(yīng)保證池壁模板的整體穩(wěn)定,避免模板振動變形而影響混凝土的硬化。施工縫應(yīng)事先清除干凈,保持濕潤,但不得積水。澆筑前施工縫應(yīng)先鋪15~20mm厚的與混凝土配合比相同的水泥砂漿,與混凝土的澆筑的間隔時間不應(yīng)過長。池壁混凝土應(yīng)分層澆筑完成,每層混凝土的澆筑厚度不應(yīng)超過400mm,沿池壁高度均勻攤鋪,每層水平高差不超過400mm。池壁的混凝土澆到頂部應(yīng)停1h,待混凝土下沉后再作2次振動,消除因沉降而產(chǎn)生的頂部裂縫。澆筑后的混凝土應(yīng)及時覆蓋和灑水養(yǎng)護(hù)。
夏季澆筑的混凝土,如養(yǎng)護(hù)不當(dāng),會造成混凝土強(qiáng)度降低或表面出現(xiàn)塑性收縮裂縫等,因此,必須加強(qiáng)對混凝土的養(yǎng)護(hù)?;炷脸跄罅⒓催M(jìn)行養(yǎng)護(hù),連續(xù)養(yǎng)護(hù)14d以上。池壁在澆筑混凝土14d后方可拆模,養(yǎng)護(hù)時池壁頂設(shè)置灑水管,應(yīng)確保各部位池壁濕潤到位。池底板及頂板澆筑完畢后的12h以內(nèi)對混凝土加以覆蓋并保濕養(yǎng)護(hù)。當(dāng)完成規(guī)定的養(yǎng)護(hù)時間后拆模時,最好為其表面提供潮濕的覆蓋層,池外及時回填土。
水池作為特種結(jié)構(gòu),其設(shè)計具有特殊性,但是也可簡化成我們熟悉的工程模式進(jìn)行設(shè)計。只有全面了解水池各構(gòu)件的組成及聯(lián)系,才能更好的對其進(jìn)行簡化,以形成較為正確的計算模式。同時,將工程實(shí)踐中的實(shí)例反饋到設(shè)計中,不斷填充設(shè)計依照的工程案例,增強(qiáng)工程設(shè)計的科學(xué)性和實(shí)踐性,以便于以后更好地服務(wù)于實(shí)際工程。此外,也需要高度重視施工階段,只有設(shè)計與施工緊密相結(jié)合,才能設(shè)計出更為科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)安全的水池結(jié)構(gòu)。
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