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摘要:通過某水廠擴建工程中典型的清水池及加壓泵房結構設計經驗總結，對鋼筋混凝土水池結構設計的荷載取值、計算假定、處理方案比選進行研究分析，可為以后設計出安全、合理、經濟的鋼筋混凝土水池提供參考。

關鍵詞:水池;荷載;計算假定;裂縫;抗浮

1工程概況

洪塘水廠擴建工程(勘察設計)(以下簡稱“本工程”)原供水規模1．5萬m3/d，土建擴建后供水規模12萬m3/d，包含清水池、二級泵房及加氯間、配電室與控制房、機修間及庫房、片區供水服務中心等建(構)筑物。根據地質勘察報告，清水池、二級泵房及加氯間的基礎持力層均為粉質黏土層，抗浮設計的最高地下水位按周邊室外設計地面標高以下0．5m考慮。清水池共2座，每座平面尺寸37．55m×52．8m，池內每隔5m設一道Y向導流墻，清水池高5．75m，基礎埋深4．1m～5．0m，池頂作種植屋面，覆土0．8m，詳見圖1［1］。二級泵房及加氯間包含二級泵房、吸水井、加氯間各一座，其中二級泵房下部池體，上部框架，平面尺寸36．9m×10．4m，池高5．0m，基礎埋深4．7m，上部單層框架層高7．2m。吸水井平面尺寸26．7m×3．9m，池高8．85m，基礎埋深8．55m，詳見圖2［2］。

2荷載取值

1)水池荷載主要包含結構自重、側向水壓力、豎向土壓力、側向土壓力、地面堆載、溫度作用等。其中側向水壓力分為池內水壓力和池外水壓力。池內水壓力應按永久作用考慮，對于給水處理的水池，水容重可取10kN/m3;對污水處理的水池，考慮懸浮固體等雜質的含量，水容重可取10kN/m3～10．8kN/m3。池外水壓力應按可變作用考慮，其最高計算水位應結合該工程地質勘查報告選取［3］。

2)水池池壁承載能力極限狀態的結構強度驗算時需計算兩種工況:池內有水，池外無水土(施工階段閉水試驗);池內無水，池外有水土(使用階段空池檢修)。地基承載力驗算時，一般取地下水位處于基底標高下，池內滿水，池外滿土狀態。但使用階段抗浮穩定驗算時，需取最高水位狀態。溫濕度作用需考慮兩種極端情況:a．冬季夜晚池內外濕度基本平衡后表現出的溫差作用;b．夏季夜晚池內外溫度基本平衡后表現出的濕差作用，兩者均使池內壁膨脹外壁收縮，取最大值計算。

3)本工程清水池池內設計最高水深為4．8m(工藝專業確定)，但是考慮滿水試驗，結構設計時仍按池內滿水(水深5m)計算水壓，顯然，清水池池外水土壓力作用大于池內滿水水壓。因清水池長期貯水，為減少溫濕度作用帶來的不利影響，池頂設置種植屋面，露出地面的池外壁粉刷無機輕集料保溫砂漿(也可池壁外側設牛腿，砌筑保溫磚)。

4)二級泵房池內無水，側壁計算時由池外水土作用控制，底板計算時，需考慮上層框架柱底傳遞的荷載作用。

3計算假定

1)水池一般由底板、池壁及頂蓋組成，其中頂蓋的設置與否一般由工藝需求決定，頂蓋采用現澆還是預制形式一般與安裝檢修需求有關，因此水池分為敞口水池與有蓋水池。

2)水池與底板、斗槽或條基連接時，均可視池壁為固端支承。水池頂端無約束或頂板為預制裝配板擱置且無其他連接措施時，池壁頂端視為自由端。當敞口水池頂端為工作平臺、走道板、連系梁等支承結構，根據支承結構橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為彈性或鉸支。當有蓋水池頂板與池壁整體澆筑且配連續鋼筋，該節點視為彈性固定。當預制頂板與池壁頂端通過抗剪鋼筋連接，該節點視為鉸支。當池壁雙向受力，相鄰池壁間的連接視為彈性固定。

3)合理確定水池結構板件邊界條件且正確進行內力分析方能保證結構設計的準確可靠，矩形池壁在側向荷載作用下單、雙向受力的區分條件見表1。

4)顯然，本工程清水池Y向外壁為四邊支撐，L/H＞2，應按豎向單向計算，可取1m長度為計算單元，下端固定，上端簡支計算。清水池X向外壁0．5＜L/H＜2，按雙向計算。對于池壁的四陽角處，側壓力是沿水平及豎向雙向傳遞，且沿水平傳遞的比例較大，這些水平彎矩即角隅彎矩，角隅處的剪力使垂直于本池壁方向的相鄰池壁產生拉力(或壓力)，故相鄰池壁計算時應考慮此力影響。設計時，可分別計算兩壁板交接處彎矩，按彎矩分配法的原理，調整相鄰池壁水平邊緣彎矩，根據水平板帶線剛度比分配角點不平衡彎矩，使之平衡，相應調整跨中彎矩。池內導流墻兩側水壓平衡，按構造要求設計。清水池底板與外壁連接處可按“簡支+池壁彎矩”模式，即底板簡支于池壁之上，池壁在側向壓力作用下產生的底端彎矩作為力偶荷載傳遞給底板，忽略底板外挑部分的影響，底板所受軸力等于其兩端池壁下端的剪力。底板與導流墻的連接可按“固端”模式，即池壁作為底板的固定支座，則底板計算時沿單向截取單元條，按多跨連續梁計算。本工程清水池持力層為粉質黏土層，底板內力可按地基反力直線分布計算，直接作用于底板上的池內水重及底板自重與它們引起的地基反力直接抵消，不產生彎曲應力。若本工程地基為軟土或板短跨較大，宜截取單元條，將水池內外壁板作用集中力按彈性地基梁進行內力分析［4］。清水池頂板設計時，頂板邊緣可按固端考慮并按多跨連續梁計算。

5)二級泵房池壁頂端(±0．000標高)設置了走道板及工作平臺，當走道板及工作平臺作為池壁頂端支承結構時，應根據支承結構的橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為鉸支或彈性支承，本工程開洞較大，走道板為懸挑結構，故不考慮支承結構的約束，池壁頂端按自由考慮。二級泵房外墻設有框架柱(扶壁柱)，框架柱截面尺寸500mm×600mm，外墻厚450mm，框架柱截面高度小于外墻厚度的2倍，且框架柱上部非高層建筑，框架柱與外墻線剛度比小于2，故框架柱不宜作為池壁的支承結構。若池壁以框架柱作為支承結構采用雙向板計算配筋，則框架柱除按結構整體分析結果配筋外，還需按外墻雙向板傳遞荷載驗算配筋。根據框架柱與外墻變形協調的原理，框架柱配筋偏少，外墻豎向受力鋼筋配置不足，水平分布筋有富余。因此外墻宜按豎向單向板計算配筋，對框架柱內外側主筋適當加強。二級泵房抗浮水位取室外地面下0．5m，上部僅為單層框架，出于抗浮考慮，采取如下措施:底板厚度按構造要求取大值(一般為壁板厚度的1．2倍～1．5倍)，同時可滿足柱下筏板沖切要求，底板外挑500mm，底板上方回填500mmC20素混凝土，素混凝土可兼作設備基礎下部且方便形成排水溝。二級泵房底板與外壁連接處可按“簡支+池壁彎矩”模式計算配筋。

4處理方案比選

水池設計過程中需對各種問題難題做出處理方案比選，擇較合理者選用，其中尤以裂縫及抗浮問題需較慎重。1)混凝土水池的裂縫問題是普遍存在且難以解決的令各參建方頭疼的問題，它的成因包括混凝土收縮、溫度變化、混凝土養護不善、施工措施不到位、池體不均勻沉降、設計配筋不足等。清水池平面尺寸52．8m×37．55m，而規范規定伸縮縫最大允許間距20m(露天)～30m(室內或土中)，故對溫度變化敏感的清水池設計時應考慮減少大體積混凝土收縮的措施。常用的處理方法有:設后澆帶、設伸縮縫、設膨脹加強帶［5］。

a．后澆帶:常設于結構內力相對較小或兩側沉降差較大位置，可減少超長結構在施工前階段溫差及混凝土前期收縮產生的應力，降低沉降差引起的結構應力。但后澆帶的斷筋、清理和填補較為麻煩，留設時間不少于40d將延緩后續滿水試驗等工序，同時工期延長將產生施工降水成本提高的連鎖反應。b．設縫(伸縮縫、沉降縫或抗震縫):可防止超長結構溫度變化引起的結構開裂、沉降差異造成的結構開裂及結構剛度不均勻在地震中的扭轉破壞(抗震縫)，如圖3所示。但水池伸縮縫施工難度較大，整體性差，橡膠止水帶處因不易澆筑密實導致容易滲水，橡膠止水帶易老化。c．膨脹加強帶:可與結構同時施工，也可后澆，通過在溫度應力集中處適當加強并增加膨脹劑摻量以提高該部位混凝土膨脹率，從而抵消全部或部分拉應力，避免或減少開裂。但其不能降低沉降差引起的結構應力。本工程建設工期緊張，不適合采用后澆帶施工。伸縮縫處理對施工水平要求較高，且橡膠止水帶使用年限過少，故不予采用。清水池采用膨脹加強帶是相對折中的方案，能滿足安全、工期及經濟要求。

2)本工程清水池埋深約4．1m，經核算，若不考慮頂板覆土，抗浮驗算的抗浮力Gk/浮力(F)=0．84＜抗浮穩定系數Ks=1．05，可采用以下方案增加抗浮力:錨桿(抗拔樁)抗浮、底板上設素混凝土壓重、底板下埋筋配重及頂板上覆土壓重。

a．錨桿(抗拔樁)抗浮:Gk/F=0．84與1．05較接近，采用錨桿或抗拔樁抗浮可滿足要求，但偏于保守且需設備配合，施工較為復雜。

b．底板上設素混凝土壓重:會加大水池埋深、增加挖方、基坑支護及降排水成本。

c．底板下埋筋配重:底板與掛重部分混凝土需用鋼筋連接，根據地勘報告，地下水對干濕交替環境下的鋼筋混凝土結構中鋼筋具弱腐蝕，采用后鋼筋有銹蝕隱患。

d．頂板上覆土壓重:可減少溫濕度作用帶來的不利影響，結合建筑專業綠化率指標需求(頂板覆土厚度取0．6m～0．9m時，可計入清水池平面面積的50%作為綠化面積)。但覆土壓重將導致頂板厚度及配筋加大，故覆土厚度也不宜過大。經上，本工程清水池頂板覆土0．8m既可滿足抗浮要求，又能減少溫濕度作用影響、提高場地綠化率指標，而且施工簡單，雖增加頂板厚度及配筋，但仍屬相對較合理方案。

5結語

在鋼筋混凝土水池結構設計中，在取得完整而準確的設計資料后，只有選擇正確的結構型式，選取準確的荷載取值，通過合理的計算假定建立符合實際情況的結構模型，再根據工程的特殊性及構造要求對各問題處理方案進行比選，才能設計出安全、合理、經濟的鋼筋混凝土水池。上述鋼筋混凝土水池結構設計的荷載取值、計算假定、處理方案比選為筆者參考結構專業相關資料，結合實際工程設計的經驗總結與心得體會。限于筆者水平，不妥之處請予指正。

作者：黃小達 單位：廈門水務規劃設計研究有限公司