1、特殊钢筋混凝土水池结构设计摘要本文主要总结了钢筋混凝土水池结构设计的基本方法，主要从结构型式、水池基本设计规定、荷载及荷载组合、矩形水池计算、圆形水池计算、水池抗浮及抗裂验算，并结合工程实际分析了圆形浓缩池的计算要点以及设计中需要注意的问题。 关键词钢筋混凝土水池,荷载,计算简图,内力计算 中图分类号： TU528.571 文献标识码： A 文章编号： 水池是工业与民用建筑中常用的给排水工程构筑物。在核电站的给水生产厂房和其他辅助厂房中，就有多种类型的水池，如清水池、中和池、回收池等等。 水池的结构设计内容包括：计算在各种荷载组合的情况下，水池各部分构件应满足强度、抗震、裂缝宽度的要求；根据工
2、作条件，水池还要满足稳定性、抗渗性、抗冻性和抗侵蚀的要求。 一.水池的结构型式 钢筋混凝土水池有矩形池和圆形池两大类。矩形池施工较方便，占地紧凑，多用于小型水池。矩形水池有单格和多格等结构形式。圆形水池受力合理，并适合于施加预应力力，一般 200m33000m3 的中型池宜采用钢筋混凝土圆形池，3000m3 以上的大型池宜采用预应力混凝土圆形池。圆形池由圆柱壳池壁、无柱或有柱平顶板、平底板或顶、底盖圆锥壳组成等形式。若蓄水深度较浅，大中型水池也可采用矩形池。 水池的安置方式有地上式、半地下式和地下式三种。水池可做成无顶盖的开敞式池或有顶盖的封闭池。地下式和半地下式水池受大气温（湿）度变化的影响
3、较小，并且在使用期间由于池壁外有填土，存在土压力，能抵消池壁的部分内水压力，使池壁处于较低的应力状态。但若埋入过深，会使顶盖和底板的荷载增大，反而使材料用量增多。此外，地下式及半地下式水池的抗震性能较好，一般在 8 度地震区可不进行抗震验算。 池体结构一般由池壁、底板和顶盖（是否封闭加盖由工艺需要决定）所组成。底板和顶盖可采用平板结构、肋形结构及无梁板结构等，当容量很大时，也可采用薄壳结构。 二.水池基本设计规定 根据建筑结构可靠度设计统一标准(GB 500682001)的规定, 一般情况下，水池安全等级取二级,重要性系数取 1.0。对重要工程的关键构筑物，其安全等级可提高一级执行。 各种类别
4、、形式的水池结构构件，均采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，即按承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算。按承载能力极限状态计算时，除结构整体稳定验算外，其余均采用分项系数设计表达式。按正常使用极限状态验算时，对轴心受拉和小偏心受拉构件应按作用效应标准组合进行抗裂度验算；对受弯、大偏心受拉或大偏心受压构件应按作用效应准永久组合进行裂缝宽度验算;对需要控制变形的结构构件应按作用效应准永久组合进行变形验算。 水池结构的内力分析，均应按弹性体系计算，不考虑由非弹性变形所产生的塑性内力重分布。 三水池的荷载与荷载组合 水池结构上的作用主要可分为永久作用和可变作用两类。永久作用应包括结构和永久设备
5、的自重、土的竖向压力和侧向压力、水池内的盛水压力、结构的预加应力、地基的不均匀沉降等；可变作用应包括池顶活荷载、雪荷载、地表或地下水压力（侧压力、浮托力） 、结构构件的温（湿）度变化作用、地面堆积荷载等。 1.池顶荷载： 作用于池顶板上的竖向荷载包括顶板和永久设备的自重、防水层重、覆土重、雪荷载、活荷载等。雪荷载与活荷载不同时考虑。 2.池壁荷载： 池壁荷载主要是水平方向的水压力和土压力。由顶板传来的竖向压力对池壁的影响，一般可以忽略不计。 当水池为地下式或半地下式时，池壁外侧将受到主动土压力的作用。当有地下水作用时，尚需考虑地下水的静水压力作用。 3.池底荷载 池底荷载是指使底板产生弯矩和剪
6、力的那部分地基反力或地下水浮力。水池的地基反力，可按直线分布计算。当地基承载力较高，且池底位于最高地下水位以上时，池壁基础可按独立基础计算。 4.荷载组合： 水池设计时，一般应按下列设计工况的荷载组合分别计算截面内力：1) 池内满水，池外无土竣工试水时； 2) 池内无水，池外有土建成及使用放空或检修时； 3) 池内满水，池外有土正常使用时； 对地面式水池，只需考虑第 1)种荷载组合。当无隔温措施时，则还应考虑池内满水及温（湿）差作用的组合。但对于底板，无论水池是否采用隔温措施，都可不计温度作用。 四.矩形水池的内力计算 矩形水池按形状划分有深池、浅池、一般池。 下图为开敞式矩形水池的三种典型情
7、况，所有池壁均为三边支承、顶板自由的板。左图所示的水池，在高度方向大于 2L 的池壁只按水平方向传力，故可沿高度取 1m 作为计算单元，按水平封闭框架计算，通常称为深池，即水平框架式水池。中图的池壁按竖向单向计算,通常称为浅池，即挡土（水）墙式水池。右图的池壁按双向计算,通常称为一般池，即双向板式水池。 （一）深池 当 H/a2.0,H/b2.0 时，称为深池。深池狭而高，在水压作用下，主要沿水平方向受力，竖向的作用可以忽略不计。计算时，可沿高度将池壁分成几个计算区段，每区段切出以高度为 1m 的水平带视作封闭框架，按该区段的最大水平压力进行内力分析。 计算矩形水平框架的弯矩，可将其展为两端固
8、定的多跨连续梁，以角点弯矩为未知力，用三弯矩方程求解或用弯矩分配法计算。 池壁轴力可用下式计算 Na=pb/2（壁 a） Nb=pa/2（壁 b） 最后，池壁配筋可根据上述内力按偏心受拉构件计算。值得注意的是，在靠近上、下边缘附近的壁板，由于受边缘板的固定作用，实际上是双向受力的，不能用上述方法分析。根据半无限长板的理论分析，近似的取距池底 1.5 倍边长(1.5a 或 1.5b)以下的区域视作三边固定，一边自由的双向板来计算内力及配筋。 (二) 浅池 当 H/a K 浮 K 浮抗浮安全系数，可取 1.05 当整体抗浮稳定性不能满足时，封闭式水池可采用增加覆土厚度的办法解决；开敞式水池，可用加
9、大底板出挑尺寸、底板内砌石、加插锚筋与底板相连等加大自重的办法，或在底板下设置锚桩等办法解决。 而对于有中间支柱的封闭式水池，虽然满足上式，但由于抗浮力分布不均匀（如多室水池部分满水部分放空时） ，通过池壁传递的抗浮力在总浮力中所占比例过大，因此均匀分布在底板下的地下水浮力有可能使中间支柱发生轴向上移而造成底板和顶板开裂。此时应验算局部抗浮，即在一个柱网区格内自重加上顶板覆土重应大于地下水对该区格的浮力。（二）抗裂验算 根据给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程(CECS 138:2002)的规定： 按正常使用极限状态验算时，对受弯、大偏心受拉或大偏心受压构件应按作用效应准永久组合进行裂缝宽度
10、验算。 最大裂缝宽度的限值对清水池、给水水质净化处理构筑物取0.25mm；污水处理构筑物取 0.2mm。规程附录 A 给出: 最大裂缝宽度： 按正常使用极限状态验算时，对轴心受拉和小偏心受拉构件应按作用效应标准组合进行抗裂度验算。 对轴心受拉构件，应满足 对小偏心构件，应满足 七工程实例 天津钢管公司新建 PU4 套热轧及管加工水处理工程污泥处理间子项包括内径 15m 浓缩池两座和 36mx15m 污泥处理间一座。 其中浓缩池工艺设计为：上部是内径 15m 圆形浓缩池,池壁平均高度4.8m，池顶标高 12.80m,池顶设有环形搅拌机,容积 850m3。下部是内径为 13m 的圆形调节池，池壁高
11、度为 8.20m, 池顶标高 3.70m,容积1100m3。两座浓缩池在 3.70m 标高用检修平台相连接。 经计算，确定上部浓缩池属于敞口圆形水池,池壁厚度取 400mm, 底板厚度取 700mm,在半径 R=7000mm 处设置 550x1000 的环梁，环梁用八根柱子支承于调节池底板上；下部调节池池壁厚度取 600mm, 底板为厚度1200mm，半径 R=8200mm 的圆板,基础采用预制预应力管桩。 传力途径是：上部荷载底板环梁支柱调节池底板预应力管桩 浓缩池剖面图见下图所示： 1.池壁计算：H=5200mm,R=7700mm,h=400mmm. 地上式水池：S=0.76=0.76=1
12、.33 H/S=4.8/1.33=3.61H/S15 按圆柱壳计算当池内满水时池壁竖向内力和环向拉力。 作用在池壁上的静水压力：q=1.27x11x5.2=73 kN/m 池底处：竖向弯矩系数 kMx=-0.0331 竖向弯矩 MxkMxqH2=-0.0331x73x5.22=-65 kN.m 环向弯矩 M 支1/6 Mx = 11 kN.m 实配钢筋为：竖向钢筋 16150，水平钢筋 14200 首先按轴拉构件验算抗裂度: 环向力=0.44x57.2x7.7=194 kN/m 环向配筋 14200() C30 混凝土： ， , 满足要求. 再按受弯构件裂缝验算宽度: 最大裂缝宽度： ，底部配
13、筋 16150() C30 混凝土：， ， ， 取 0.4 满足要求。 2.底板计算： 底板近似视为圆形带悬挑板，h=700mm,D=15.8m（外径） 作用在底板上的均布荷载：q1=88 kN/m2 作用在板边上的集中荷载：q2=54 kN/m 根据静力计算手册按弹性薄板计算结果如下： 3.环梁计算: 浓缩池- 设备重 : 180kN,内部泥浆重： 11960kN, 池体自重：7800kN,满池时总重：19940kN。 水池传给环梁的线荷载：q=19940/3.14x14=453 kN/m 查表，八等分连续水平圆弧梁 R=7275mm 跨中弯矩 M 中0.00833x3.14xqR2=627 kN.m 支座弯矩 M 支-0.01653x3.14xqR2= -1245 kN.m 最大扭矩 M 扭0.00126x3.14xqR2=95 kN.m
