劉海峰王 霞

(1中國城市建設(shè)研究院有限公司山東分院， 山東 濟(jì)南 250101； 2山東華城城建設(shè)計工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250101）

淺析鋼筋混凝土矩形水池結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉海峰1王 霞2

(1中國城市建設(shè)研究院有限公司山東分院， 山東 濟(jì)南 250101； 2山東華城城建設(shè)計工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250101）

鋼筋混凝土矩形水池是目前較為常用的一種水池結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通常情況下是由三部分所組成的即池壁、底板以及頂蓋，其被廣泛的應(yīng)用于我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活之中。本文在研究的過程中對此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法以及特點進(jìn)行簡單的闡述，從荷載計算及內(nèi)力組合、內(nèi)力計算以及構(gòu)造措施三個方面入手提出了設(shè)計人員在設(shè)計的過程中應(yīng)當(dāng)注意的幾點問題，希望能給相關(guān)設(shè)計人員提供一定的幫助。

0 前言

通過我們所看到的水池的外輪廓基本都為圓形，而隨著使用上的限制以及工程經(jīng)濟(jì)性的考慮，矩形水池結(jié)構(gòu)越來越受到設(shè)計人員的青睞，如今其已經(jīng)沒廣泛的使用到工業(yè)與民用建筑的給水、消防以及排污工程之中。本文將從水池荷載及內(nèi)力組合、內(nèi)力計算以及構(gòu)造措施三個方面，對設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)注意的問題加以闡述。

1 水池荷載的計算及內(nèi)力組合中應(yīng)當(dāng)注意的問題

1.1 水池何在分類及應(yīng)用

（1）池頂荷載

當(dāng)設(shè)計的水池屬于有頂蓋的水池，那么在計算荷載的過程中應(yīng)當(dāng)將作用在水池頂板上的豎向荷載良好的考慮在內(nèi)，一般來說，豎向荷載主要包括頂板的自重，防水層重量，其上覆蓋土的重量，雪荷載以及活荷載。這里需要注意的一點就是，根據(jù)我國最新出版的荷載規(guī)范規(guī)定雪荷載和活荷載不需要同時考慮。

（2）池壁荷載

對于水池結(jié)構(gòu)來說，池壁荷載也是一種比較常見的荷載主要包括池內(nèi)水對側(cè)壁的壓力，以及池外土壓力以及地下水壓力等等。而其中池內(nèi)水壓則是其中對池壁作用最為明顯的一種主要荷載，筆者建議在設(shè)計的過程中為了最大限度上的保證水池的結(jié)構(gòu)安全，在計算水壓時，應(yīng)當(dāng)按照滿池來計算。這種計算方式主要是從兩方面考慮即工藝上有可能挖掘的深度超過了設(shè)計水位，而另外一方面，一旦出現(xiàn)操作失誤的情況，也有可能造成慢池的情況發(fā)生。

對于地下式或者半地下式的水池來說，土對側(cè)壁也存在著一定的側(cè)壓力，在計算側(cè)壓力的時候，一般是使用朗肯主動土壓力理論進(jìn)行計算。而在初步設(shè)計的過程中我們無法得到比較詳細(xì)的勘測資料，所以就要對一些基本情況進(jìn)行預(yù)估，筆者建議在初步設(shè)計時土的內(nèi)摩擦角可以選用30°，土的重度可以選擇為18，當(dāng)?shù)孛鏇]有堆放其他雜物的時候，可以將地面活荷載按1.5～2.0KN/m2進(jìn)行考慮。

最后一點就是當(dāng)?shù)叵滤辉谒芈裰蒙疃纫詢?nèi)時，還應(yīng)當(dāng)綜合考慮地下水位以下的土由于水的浮力影響導(dǎo)致自身對水池側(cè)壁的壓力有所降低。另外，如果這種情況確實存在的話，還要計算地下水對水池的托浮作用，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行抗浮驗算。如果缺失超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的話，就需要采取一些構(gòu)造措施對其進(jìn)行處理，例如設(shè)置排水盲溝等等。

（3）溫度、濕度荷載

通常情況下，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度、濕度荷載的原因主要可以概括為以下三種即混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的水化熱、相關(guān)工藝要求或者是天氣變化導(dǎo)致，而這些變化都可能造成池壁產(chǎn)生膨脹或者收縮的現(xiàn)象。而溫度或者濕度變化產(chǎn)生的應(yīng)力又是導(dǎo)致混凝土池壁產(chǎn)生裂縫的最主要的原因。所以如果項目所在地一年四季氣候變化比較明顯，就需要對溫度以及濕度荷載進(jìn)行適當(dāng)?shù)目紤]。

1.2 荷載組合

通常情況下只需要考慮三種荷載組合的方式如下所示

（1）水池內(nèi)壓+自重

（2）池外土壓+自重

（3）池內(nèi)水壓+自重+溫濕度荷載

當(dāng)設(shè)計的水池為地上式時，第一種組合較為適用，而對于半地上式水池或者地下式水池來說，通常情況下需要選擇（1）（2）兩種組合進(jìn)行校核。而如果工程項目所在地是在一些濕度比較大或者溫差較大的地區(qū)的話，就應(yīng)當(dāng)采取第三種荷載組合方式對其進(jìn)行校核。

2 水池內(nèi)力計算中應(yīng)當(dāng)考慮的問題

一般情況下，在進(jìn)行水池結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要對內(nèi)力進(jìn)行計算，其中主要包括池壁內(nèi)力計算和底板內(nèi)力計算兩個方面。而如果選取不同的邊界條件或者地基反力模型的話，對于最后計算結(jié)果將會產(chǎn)生比較大的影響，以下將簡單介紹在內(nèi)力計算的過程中應(yīng)當(dāng)著重注意哪些問題。

2.1 池壁的邊界條件假定和內(nèi)力計算

2.1.1 池壁的邊界條件假定極其應(yīng)用

首先對于開敞式水池池壁來說，應(yīng)當(dāng)將其邊界條件假定為三邊固定，頂板為自由的板。其次對于有頂蓋的封閉式水池池壁來說，在考慮其邊界條件時間，應(yīng)當(dāng)綜合考慮其與頂板的連接情況，通常情況下使用的都是三邊固接、頂板鉸接的板。而當(dāng)池壁與頂板整體連接而且池壁的線剛度是頂板線剛度的5倍以上的話，就可以將池壁頂端作為鉸接看待，如果沒有上述條件的話，就應(yīng)當(dāng)將其視為彈性支撐。

從筆者的設(shè)計經(jīng)驗來看，對于一些比較大型的矩形水池來說，如果條件允許的話，應(yīng)當(dāng)盡可能的將其設(shè)計成為有頂蓋的結(jié)構(gòu)形式，這種方式可以有效的改變其受力狀態(tài)，如果采用這種方式確實存在困難的話，也應(yīng)當(dāng)從池壁內(nèi)部挑出走道板，讓其成為池壁的不動鉸支撐，但是從筆者的設(shè)計經(jīng)驗上來看，采用這種方式還是比較困難的。這里筆者建議應(yīng)當(dāng)盡可能的減小走道板水平方向的計算跨度。

2.1.2 池壁內(nèi)力計算

對于矩形水池來說，其池壁板都是矩形形狀，所以在對其進(jìn)行計算的過程中可以按照傳統(tǒng)的計算方法，將其劃分為單向板以及雙向板進(jìn)行計算。

首先對于可以作為單向板計算的池壁來說，可以將所有的水平荷載都沿豎向進(jìn)行傳遞。計算的過程中沿池壁高度取1m寬的半單元作為一個計算單元，而對于豎向單向板來說，可以將池壁作為懸臂板進(jìn)行計算。這里需要著重說明的一點就是對于池壁與相鄰池壁的交界處來說，由于池壁的位移會受到一定的限制，所以應(yīng)當(dāng)計算水角隅的水平向局部彎矩最大值。

其次對于可以作為雙向板進(jìn)行計算的池壁來說，其水平荷載作用是沿著兩個方面進(jìn)行傳遞的，與單向板相比，這種傳遞方式使得在力的分配可能就比較復(fù)雜。一般情況下，是將其按照單塊雙向板利用查表法進(jìn)行計算，之后綜合考慮相鄰壁板之間的變形連續(xù)性，根據(jù)線剛度的變化對其進(jìn)行調(diào)整，最終求得板的跨中彎矩。這種方法對于一些小型工程來說可能比較適用，但對于一些設(shè)計使用年限較長的工程來說，應(yīng)當(dāng)使用有限元分析軟件對其進(jìn)行整體分析。

2.2 底板內(nèi)力計算

在考慮地基反力時，可以將池底看成是簡支于池壁至上，而池壁的間距對于池底反力分布來說也有一定的影響。在筆者實際進(jìn)行設(shè)計的過程中，通常情況下都是采用靜力平衡法或者考慮池底與地基相互作用的內(nèi)力分析方法對水池底板的內(nèi)力進(jìn)行考慮。設(shè)計應(yīng)當(dāng)注意的一點就是靜力平衡法相對來說只是一種近似的計算方法，對于一些結(jié)構(gòu)比較小，形式比較簡單的工程來說可能比較適用，而對于那些技術(shù)要求比較復(fù)雜的工程來說采用內(nèi)力分析方法相對來說還是比較合適的。在使用這種方法計算地基反力的過程中，模型絕大多數(shù)使用的都是Winkler彈性地基模型，隨著計算機(jī)軟件的不斷發(fā)展，這種方法的使用頻率也逐漸的升高。

3 水池的構(gòu)造措施

往往在設(shè)計的過程中都比較重視計算的過程，但是對于一名設(shè)計人員而言，如果能良好的使用構(gòu)造措施的話，會使得一些問題迎刃而解。矩形水池結(jié)構(gòu)一個比較復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)體系，其四周的約束條件相對來說都比較復(fù)雜，而水池的構(gòu)造措施可以有效的提高其整體剛度，提升防水、抗?jié)B以及耐凍性能。例如池壁以及底板的厚度應(yīng)當(dāng)在200mm以上。而對于其中時的受力鋼筋來說，選用的過程中可以選擇一下直徑較小的鋼筋，并設(shè)置較密的間距。同時還要采取比較合理的結(jié)構(gòu)布置以及圍護(hù)措施，在水池的內(nèi)外表面抹防水砂漿面層，從而降低溫濕度對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響。還可以在水池的四周設(shè)置一些散水坡，方式由于地面水的滲入導(dǎo)致地基出現(xiàn)不均勻沉降的現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語

通過以上的論述我們能夠清楚的看到，在設(shè)計的過程中只有選擇合理的結(jié)構(gòu)方案，讓假定的邊界條件最大程度上的與實際情況相符合，才能讓設(shè)計出來的水池結(jié)構(gòu)更加安全，經(jīng)濟(jì)性更好。

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