白貴斌

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

污水廠內(nèi)構(gòu)筑物多為鋼筋混凝土水池，常用工藝的核心處理構(gòu)筑物均較大，且多淺壁水池，因其尺寸較大，建設(shè)所用的材料也較多。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因自重大、施工工序復(fù)雜等原因，造成其建設(shè)成本也較大。而采用不同的結(jié)構(gòu)形式，材料的用量會(huì)有相對(duì)的變化，且有時(shí)變化會(huì)較大，由此帶來的建設(shè)成本的變化會(huì)更大。因此，在滿足工藝要求的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以合理布局、受力明確,以及安全、經(jīng)濟(jì)和實(shí)用為原則[1]，選擇經(jīng)濟(jì)且可靠的結(jié)構(gòu)形式，減少鋼筋混凝土材料的用量，降低建設(shè)成本。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是對(duì)水池各部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸及配筋的確定過程，根據(jù)各構(gòu)件的受力特點(diǎn)及受力情況，選擇最優(yōu)截面是設(shè)計(jì)的最終目的。水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算按不同的工況分別進(jìn)行：通常有池外有土池內(nèi)空、池外無土池內(nèi)滿水、池外有土池內(nèi)滿水三種工況。

水池基礎(chǔ)一般為樁筏基礎(chǔ)或平板式筏板基礎(chǔ)兩類。樁筏基礎(chǔ)的受力特征：上部結(jié)構(gòu)的重量通過墻傳至筏板基礎(chǔ)或直接作用于筏板，再由筏板傳至樁基、樁基傳至地基。因此，樁筏基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)分兩步：（1）計(jì)算上部包括筏板在內(nèi)的最大重量，確定合理的樁徑，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算單樁承載力與根數(shù)，調(diào)整布置，以滿足承載力要求；（2）筏板的受力受樁基與筏板下地基土的綜合影響：工程剛完工時(shí)，地基沉降不大，筏板受地基土反力作用，此時(shí)不考慮樁基對(duì)筏板的支撐，綜合上部結(jié)構(gòu)的工況進(jìn)行底板受力及配筋的計(jì)算；工程完工且使用一點(diǎn)時(shí)間后，地基土在筏板壓力及自重作用下有一定的沉降，而樁基樁端土埋藏較深且土層更為穩(wěn)定，其沉降很小，因此樁基的沉降也很小，而樁基和筏板下地基土的沉降差會(huì)造成地基土對(duì)筏板的支撐作用減小直至消失，此時(shí)不考慮地基土的支撐作用，上部結(jié)構(gòu)完全由樁基支撐，選取合理的模型與截面，計(jì)算滿水運(yùn)行時(shí)底板內(nèi)力與配筋。綜合考慮以上兩種情況，選取合理的底板截面并復(fù)核配筋。

平板式筏板在無地下水影響時(shí)只受地基反力及池壁的作用，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按各工況分別進(jìn)行底板反力與內(nèi)力的計(jì)算，對(duì)比各工況結(jié)果，選取控制工況完成設(shè)計(jì)。

對(duì)有抗浮要求的水池，計(jì)算抗浮穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)結(jié)果評(píng)估是否滿足要求，不滿足要求時(shí)，采用配重或抗拔樁等抗浮處理措施，保證結(jié)構(gòu)的安全。配重一般位于底板，做法為在底板底部增加一層鋼筋混凝土墊層或增加壁板、頂板的厚度，厚度由計(jì)算確定，而底板仍按平板式筏板計(jì)算；抗拔樁為摩擦樁，樁徑及根數(shù)、布置由計(jì)算確定，底板除以上三種工況外還應(yīng)考慮空池檢修時(shí)水浮力作用的計(jì)算。

壁板為豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般均為受彎構(gòu)件，作用為水壓力與土壓力等，設(shè)計(jì)時(shí)選取合理截面，按各類工況進(jìn)行內(nèi)力及配筋計(jì)算。水池內(nèi)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力情況均較為復(fù)雜，尤其是底板，因此，水池的設(shè)計(jì)是對(duì)比其各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各類工況下的計(jì)算結(jié)果，選擇最大內(nèi)力進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全的目的。截面尺寸的選取尤為重要，水池結(jié)構(gòu)混凝土一般考慮防腐抗裂、防水防凍等措施，因此，選擇合理的截面不僅會(huì)減小混凝土的用量，其他材料的用量也會(huì)隨之減小。

2 結(jié)構(gòu)形式的選擇

淺壁水池壁板一般為單向板且與地基土接觸的外側(cè)壁板為受力壁板，池內(nèi)各部分之間一般有洞口連通，故隔墻多為不受力或受力較小的構(gòu)造壁板。因此，淺壁水池設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于外側(cè)壁板與底板。池壁為受彎構(gòu)件，其底部固結(jié)于底板，水平兩端固結(jié)于其他壁板，頂部按有無蓋板采用簡(jiǎn)支或自由模型。池內(nèi)隔墻厚度及配筋一般按構(gòu)造確定，對(duì)部分受力的池內(nèi)隔墻可計(jì)算復(fù)核；外側(cè)壁板按三種工況設(shè)計(jì)。

2.1 壁板

淺壁水池外側(cè)壁板可采用等截面單向板、變截面單向板、加扶壁以及加肋梁等結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。根據(jù)荷載及支撐情況可知其內(nèi)力分布情況：壁板頂部彎矩為0，跨中彎矩較小，根部彎矩較大。壁板的經(jīng)濟(jì)配筋率為0.4%～0.8%，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮壁板高度、經(jīng)濟(jì)配筋率及壁板根部、中部彎矩，選取壁板結(jié)構(gòu)形式為等截面或變截面等形式。

圖1 外側(cè)壁板結(jié)構(gòu)形式

池壁高度不大于3.0 m 時(shí)，考慮耐久性等因素可采用等截面形式；池壁高度較大時(shí)，可采用變截面形式，厚度自根部向上線性減小，相對(duì)等截面形式，常規(guī)情況下混凝土的用量減小10%～20%，而壁板根部厚度不變，配筋不變，壁板中部彎矩較小，頂部自由時(shí)壁板中部一般為構(gòu)造配筋，配筋不會(huì)變大，頂部簡(jiǎn)支時(shí)壁板中部彎矩較簡(jiǎn)支稍大，配筋一般有較小變化，因此鋼筋的用量基本無變化或變化較??；對(duì)水池壁板，池壁厚度的選取與池壁高度的三次方有正相關(guān)關(guān)系，而變形與池壁高度的四次方有正相關(guān)關(guān)系，因此，池壁高度較大時(shí)，會(huì)造成壁板根部厚度很大且變形不能控制，此時(shí)變截面形式不再適用，應(yīng)加垂直扶壁或水平肋梁，將壁板由單向受力情況變?yōu)殡p向受力情況，大大減小區(qū)格內(nèi)壁板的最大彎矩，此時(shí)根據(jù)區(qū)格的最大彎矩與經(jīng)濟(jì)配筋率計(jì)算壁板厚度，選取較小且合理的截面尺寸，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的目的。

2.2 底板

地基土質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)及水池是否受地下水影響對(duì)底板受力的影響很大，根據(jù)具體情況，底板采用厚度不變的大底板結(jié)構(gòu)和厚度變化的擋水墻加構(gòu)造底板結(jié)構(gòu)兩種形式，如圖2 所示。

圖2 底板結(jié)構(gòu)形式

無地下水影響：（1）地基承載力較弱時(shí)，一般為小于150 kPa，底板通常采用厚度不變的大底板結(jié)構(gòu)，由于地基土在不均勻的壓力作用下容易產(chǎn)生不均勻沉降，而矩形水池對(duì)地基的不均勻沉降反應(yīng)敏感，且不均勻沉降會(huì)影響基礎(chǔ)裂縫的發(fā)展[2]，因此，采用大底板可提高底板剛度，調(diào)節(jié)地基不均勻沉降，避免底板損壞的現(xiàn)象發(fā)生；（2）地基承載力較強(qiáng)時(shí)，其能承受較大的荷載且變形相對(duì)較小，外側(cè)壁板與底板連接部位設(shè)計(jì)為擋水墻，中部底板可按設(shè)計(jì)減小厚度或采用構(gòu)造底板。擋水墻由垂直壁板與壁基組成，其設(shè)計(jì)原則同擋土墻，壁板可采用變截面形式或增加垂直扶壁及水平肋梁的形式，壁基的長(zhǎng)度按擋水墻的穩(wěn)定計(jì)算確定，一般H 為0.4～0.8 m（H為垂直壁高度），垂直壁板頂部有支撐時(shí)取小值、頂部無支撐時(shí)取大值。構(gòu)造底板厚度一般為受力底板厚度的0.5～0.6 倍，混凝土的用量可減少40%～50%，鋼筋的用量按構(gòu)造配筋減少。

有地下水影響：采用大底板形式，不可采用變厚或構(gòu)造底板，且應(yīng)對(duì)其受力情況進(jìn)行具體分析。（1）抗浮穩(wěn)定性滿足要求時(shí)，計(jì)算單位面積底板的水浮力是否大于底板反力，故按兩種情況選擇合理的模型計(jì)算大底板內(nèi)力并配筋，水浮力小于底板反力時(shí)，按底板反力計(jì)算，不考慮水浮力的影響，水浮力大于底板反力時(shí)，應(yīng)按水浮力的大小代替底板反力進(jìn)行計(jì)算；（2）抗浮穩(wěn)定性不滿足要求時(shí)，即計(jì)算抗浮穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范限值1.05[3]，應(yīng)采用配重或抗拔樁并計(jì)算底板內(nèi)力及配筋。計(jì)算抗浮穩(wěn)定系數(shù)稍小于規(guī)范給定限值時(shí)，可采用配重方式，采用底板配重時(shí)，由于配重部分受水浮力作用，其作用相對(duì)于增加池壁與頂板厚度較小，而增加頂板厚度時(shí)，頂板及底板所受內(nèi)力及配筋均有所增加，增加壁板厚度時(shí)，從受力情況及構(gòu)造角度出發(fā)，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穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)綜合考慮所取方案帶來的經(jīng)濟(jì)效益，選擇較為合理的方案；計(jì)算抗浮穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范給定限值較大時(shí)，配重不再經(jīng)濟(jì)，采用抗拔樁方式則可更為有效的解決問題，且更為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)筏板基礎(chǔ)下的軟弱土層較厚時(shí)，應(yīng)綜合考慮地基對(duì)基礎(chǔ)形式及抗浮措施的影響。

2.3 頂板

對(duì)有蓋的部分，其頂蓋支撐均為水池壁板。頂板厚度根據(jù)支撐情況及支撐間的跨度及荷載計(jì)算確定，當(dāng)跨度較大，計(jì)算的板厚及配筋均較大時(shí)，應(yīng)布設(shè)鋼筋混凝土梁，減小板的跨度、厚度及配筋。也可對(duì)頂板采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，這樣可減小頂板的建設(shè)成本，但會(huì)影響壁板的受力狀態(tài)：在壁板頂部預(yù)加了一個(gè)向內(nèi)的水平力。水池頂板的支撐結(jié)構(gòu)為水池壁板，水池壁板受水壓力荷載作用時(shí)，會(huì)將部分作用傳遞至頂板，使頂板受軸力作用，故預(yù)應(yīng)力頂板水池在試水工況時(shí)，施加的水平預(yù)應(yīng)力可抵消全部或一部分池壁板傳遞的水壓力的作用，對(duì)頂板抗裂有利，同時(shí)預(yù)應(yīng)力傳遞至壁板，與水壓力綜合作用時(shí)減小了壁板內(nèi)根部的豎向作用與豎向鋼筋配筋面積，但卻增大了壁板外中部的豎向作用與鋼筋配筋面積；池外有土池內(nèi)空工況下，施加的水平預(yù)應(yīng)力與池外土壓力綜合作用，提高了壁板外根部的豎向作用與配筋面積；池外有土池內(nèi)滿水工況下，由于無地下水影響時(shí)土壓力作用一般小于水壓力作用，水平預(yù)應(yīng)力與土壓力、水壓力綜合作用時(shí)，壁板在前兩種工況的配筋下工作更易達(dá)到平衡。對(duì)有抗浮要求的水池，可綜合考慮預(yù)應(yīng)力方案、頂板厚度與配筋。因此，頂板預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、厚度與配筋，應(yīng)按計(jì)算選取較為經(jīng)濟(jì)合理的方案執(zhí)行。

3 結(jié)語(yǔ)

市政工程中水池的設(shè)計(jì)應(yīng)全面分析水池各結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同工況下的受力情況，合理地采用各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可以減少混凝土及鋼筋的用量，同時(shí)還會(huì)較少其他摻加料的用量和與此相關(guān)的施工費(fèi)用及其他部分費(fèi)用，達(dá)到結(jié)構(gòu)合理、安全及經(jīng)濟(jì)的目的。