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淺談鋼筋混凝土矩形水池設(shè)計(jì)
摘要：鋼筋混凝土矩形水池作為常見(jiàn)的特種結(jié)構(gòu)類型，被廣范應(yīng)用于與民用建筑的給水、污水、消防工程中。因此在滿足水工藝要求的前提下，既保證今后的正常生產(chǎn)使用，又降低工程造價(jià)，是設(shè)計(jì)人員面臨的主要任務(wù)。下面就設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的一些問(wèn)題，提出幾點(diǎn)看法。關(guān)鍵詞：矩形水池；設(shè)計(jì)；要點(diǎn)
1 荷載取值的問(wèn)題
1.1 池內(nèi)水壓力。池內(nèi)水壓作為水池類構(gòu)筑物的主要荷載。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)偏于安全的按滿水高度來(lái)水壓。這是因?yàn)?一方面使用過(guò)程中很可能由于值班人員疏忽或者存在液位計(jì)等部件失靈而造成滿池；另一方面今后工藝上有可能技術(shù)改造而超過(guò)原設(shè)計(jì)水位。池內(nèi)水壓荷載的取值大小對(duì)于擋水墻式淺池的下端彎矩影響較大。
1.2 池外水浮力。當(dāng)有地下水時(shí)，池壁外側(cè)除考慮地下水的壓力外，還應(yīng)考慮地下水位以下的土由于水的浮力使土的有效重度降低而對(duì)土壓力的影響。同時(shí)，地下水對(duì)池體的浮托力也不容小視。由于地下水位未掌握好而引起結(jié)構(gòu)選型錯(cuò)誤及抗浮不夠等工程事故也時(shí)有發(fā)生。地質(zhì)勘察報(bào)告所提供的地下水位一般僅反映勘測(cè)期間的地下水位情況。如果詳勘在當(dāng)?shù)乜菟谶M(jìn)行，所提供的地下水位標(biāo)高將無(wú)法被設(shè)計(jì)取用，或?qū)е陆Y(jié)構(gòu)計(jì)算的失誤。根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合地方水文資料，確定一個(gè)合適的地下水位標(biāo)高做設(shè)計(jì)地下水位，做到既保證使用階段結(jié)構(gòu)安全和不利情況抗浮安全，又能降低工程造價(jià)雙贏的目的。筆者在設(shè)計(jì)黃驊港某水廠設(shè)計(jì)大型清水池時(shí)，遇到了地下水位特別淺的問(wèn)題。該水池采用無(wú)梁樓蓋設(shè)計(jì)，在計(jì)算水池抗浮過(guò)程中，還存在有局部抗浮的問(wèn)題。設(shè)計(jì)過(guò)程中，覆土厚度增加到1.5m還不能滿足要求。這時(shí)候，考慮到是否考慮每年檢修安排在冬季枯水位時(shí)，這樣設(shè)計(jì)所采用的低地下水位標(biāo)高就能保證正常生產(chǎn)、檢修，從而很好的解決了水池抗浮的問(wèn)題。
1.3 溫、濕度作用。由于混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱、工藝特殊要求以及季節(jié)變化等，造成池壁產(chǎn)生膨脹或收縮。當(dāng)變形受到約束時(shí)，在池體中產(chǎn)生相應(yīng)的的溫度和濕度變形應(yīng)力，很容易產(chǎn)生有害裂縫。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)夏季應(yīng)考慮濕差作用，對(duì)冬季應(yīng)考慮溫差作用。前者低溫收縮與濕漲抵消，后者由于外界氣溫低，池壁中水分向外移動(dòng)，致使外側(cè)濕度增加。由于內(nèi)外側(cè)濕度相差不大，通�？梢圆豢紤]此時(shí)的濕差應(yīng)力。但內(nèi)外溫差還在，冬季應(yīng)考慮壁面溫差應(yīng)力。在工程設(shè)計(jì)中按規(guī)程提供的方法計(jì)算。
2 水池壁板邊界條件的分析
池體結(jié)構(gòu)一般由池壁、底板和頂蓋（是否封閉加蓋由工藝需要決定）所組成。合理的選擇結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖和計(jì)算公式才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確、可靠。水池內(nèi)力分析計(jì)算時(shí)，盡量做到邊界條件的假定與實(shí)際情況相符。
當(dāng)水池設(shè)有頂蓋時(shí)，池壁頂端的邊界條件應(yīng)根據(jù)頂板與池壁的連接構(gòu)造來(lái)確定。當(dāng)池壁線剛度為頂板線剛度的5倍以上時(shí)，可假設(shè)池壁頂端為鉸支，否則應(yīng)按彈性固定計(jì)算。而開(kāi)敞式水池的池壁邊界條件可假定為三邊支承，頂邊自由的板。
比較兩種邊界條件假定的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，設(shè)置頂蓋的池壁所承受的彎矩要小很多。因此當(dāng)采用頂蓋結(jié)構(gòu)有困難時(shí)，應(yīng)盡可能從池壁挑出走道板。走道板滿足規(guī)程要求時(shí)，可以假定為不動(dòng)鉸支承，否則可按照彈性支承計(jì)算。 池壁與底板整體澆筑時(shí)，也應(yīng)根據(jù)兩者的線剛度比確定池壁底端的邊界條件。規(guī)程中規(guī)定，底板的抗彎剛度10倍于池壁的抗彎剛度就可以滿足作為嵌固端的要求。底板對(duì)池壁的嵌固作用效應(yīng)的程度與池壁高度有關(guān)，也與底板單位截條的彈性特征有關(guān)，而底板單位截條的彈性特征又與底板的厚度、地基的基床系數(shù)有關(guān)，還與材料的彈性模量有關(guān)。規(guī)程規(guī)定，當(dāng)滿足嵌固要求時(shí)，底板厚度選取為池壁厚度的1.2-1.5倍。當(dāng)土質(zhì)較好，比如密實(shí)性土壤時(shí)采用1.2倍池壁厚度；當(dāng)土質(zhì)一般，比如中等密實(shí)性土壤時(shí)，采用1.5倍池壁厚度。
3 底板內(nèi)力模式的選擇
3.1 對(duì)于池體容積小，短跨尺寸在6m以內(nèi)時(shí)，計(jì)算底板內(nèi)力可以按地基反力直線分布計(jì)算。一般情況下，直接作用于底板上的池內(nèi)水重和底板自重與它們引起的那部分地基反力直接抵消，而不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。只有由池壁和池頂、支柱作用在底板上的力所引起的地基反力才會(huì)使底板產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。當(dāng)存在多格水池分格盛水時(shí)，地基反力可按照局部均布荷載下的直線分布的原則計(jì)算。此時(shí)應(yīng)分格滿池最不利布置按照單向板或雙向板進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)計(jì)算。
3.2 當(dāng)池底為軟土地基或板的跨度較大，根據(jù)上一種計(jì)算模式，不考慮彈性地基上的地板在荷載作用下的彈性變形，也不顧及地基土的彈性沉陷。底板跨中的最大彎矩等于簡(jiǎn)支底板的跨中彎矩加上池墻荷載底端的固端彎矩。按以上彎矩進(jìn)行配筋，底板上表面的配筋很大，下表面為構(gòu)造配筋。有時(shí)底板上表面的配筋往往達(dá)到讓人無(wú)法接受的程度。工程實(shí)際計(jì)算結(jié)果，底板的內(nèi)力（彎矩）上底板下表面內(nèi)力大，配筋應(yīng)該多，上表面除在縱墻附近處可為構(gòu)造配筋。因此，對(duì)于上述情況設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取單位截條，將構(gòu)筑物內(nèi)外墻作為集中力按彈性地基梁進(jìn)行內(nèi)力分析。此時(shí)考慮地基變形影響，按文克爾假定或半無(wú)限彈性體假定計(jì)算，兩者均可以查表或軟件計(jì)算。
4 構(gòu)造措施
4.1 池壁、底板的受力鋼筋宜采用小直徑鋼筋和較密的間距，盡可能采用采用HRB335和RRB400級(jí)鋼筋。水池各部位的鋼筋間距應(yīng)在100-250mm范圍內(nèi)。如果鋼筋間距太密，會(huì)影響混凝土振搗，而鋼筋間距太大，容易產(chǎn)生裂縫。
4.2 “暗梁”、“暗柱”�，F(xiàn)澆鋼筋混凝土水池最容易在角隅處出現(xiàn)裂縫，因此必須在池壁轉(zhuǎn)角處、池壁與底板相交處設(shè)置“暗梁”、“暗柱”。
敞口水池頂端也宜配置水平向加強(qiáng)鋼筋。根據(jù)規(guī)程第7.1.7條的規(guī)定要求，敞口水池在溫差或地基變形作用下池壁頂端是結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，宜設(shè)置暗梁，高度不得小于池壁厚度，內(nèi)外側(cè)各配置不小于3?準(zhǔn)16的受力水平鋼筋。
4.3 在水池四周設(shè)散水坡，防止地面水滲入引起地基不均勻沉降。北方地區(qū)的沉淀池等應(yīng)做成封閉式，以防冬季水池上部結(jié)冰，發(fā)生凍脹水池的事故。
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[1]CECS 138:2002 給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京：建筑出版社，2002.
[2]郭天木.貯水構(gòu)筑物底板內(nèi)力的合理計(jì)算[J].特種結(jié)構(gòu)，2004，21（1）.
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