水池构筑物结构设计要点

摘　要：给水排水工程中水池构筑物是整个工程结构设计的主要内容，水池构筑物和房屋建筑结构设计有明显的区别，本文从设计规范对水池结构设计的规定、结构荷载、池体选型、池壁和底板计算、构造措施的几方面论述水池结构设计的要点。

关键词：给水排水工程；水池；构筑物；结构设计
给水排水工程中通常包括房屋建筑、水池构筑物、管道和附属工程，而水池构筑物往往占大部分工程量，成为整个工程结构设计的主要内容。而水池构筑物和房屋建筑结构设计有明显的区别，结构工程师在设计时对此应有充分的认识，以保证结构设计满足工程要求。
1 执行规范
　　钢筋混凝土水池构筑物的结构设计时，需遵循的设计规范有：
　　（1）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）；
　　（2）《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）；
　　（3）《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）（2006年版）；
　　（4）《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）；
　　（5）《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》（GB50032-2003）；
　　（6）《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）；
　　（7）《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS 138-2002）。
　　其中《给水排水工程构筑物结构设计规范》和《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》作为水池结构设计的专用标准，对水池构筑物的基本设计规定、材料要求、结构作用、结构计算和构造要求均作出了相应的规定。
　　需要注意的是，水池和一般民用建筑的规范要求并不一样，比如《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）的有些规定并不适宜水池构筑物。地下工程的不同防水等级的适用范围是根据人员长期滞留、经常活动或临时活动的场所，防水等级分为四级；而地上、地下水池均根据池体厚度和按水头比计算确定的抗渗等级，高于一般地下工程的要求。《地下工程防水技术规范》要求迎水面钢筋保护层厚度不小于50mm，一般适用于建筑物地下室（人员可以经常用到的地方），此时要对保护层采取有效的构造措施（如配置防裂、防脱落的钢筋网片等）；而《给水排水工程构筑物结构设计规范》对于水池砼保护层厚度的规定：板、壳：与水土接触30mm、与污水接触35 mm；梁、柱：与水土接触35 mm、与污水接触40 mm；底板：有垫层下层筋40 mm、无垫层下层筋70 mm。这是满足《混凝土结构设计规范》规定板、墙在二类环境的混凝土保护层最小厚度的。
2 结构荷载
　　水池结构上的作用可分为：永久作用（结构自重、土的竖向压力和侧向压力等）；可变作用（池顶盖上的活荷载、地下水压力、流水压力、地面堆积荷载、温湿度变化作用等）；偶然作用（地震作用等）。【1】
　　作用在水池上的侧向土压力，规范按朗金公式计算主动土压力，这与土的重度和内摩擦角有关。同时要考虑地下水位以下的池外水浮力，使土的有效重度降低而对土压力的影响。地下水对池体的浮力需要抗浮验算，分别计算水池的整体抗浮和局部抗浮，根据工程地质勘察报告和当地水文地质条件确定抗浮水位，既保证使用阶段的结构安全又要考虑不利工况下的抗浮安全。对于大型水池、地下水池和地下水丰富的地区，抗浮验算尤为重要。
　　温、湿度作用对于地上水池的计算不容忽视。壁面温差的低温一侧受拉，对冬季应考虑温差作用。温差和湿差不需要同时考虑，对夏季应考虑湿差作用，由于效果与温差相似，设计时将湿差折算为当量温差按10°C计算。按规范要求设变形缝的水池，可不计算温湿度变化作用，对水池构件的中面温差作用一般也不作计算。
　　水池设计时，地基不均匀沉降引起的永久作用，需计算水池构筑物的沉降量。考虑到钢筋混凝土水池的结构整体性比较好，设防烈度8度以下可不进行抗震验算，但仍需满足抗震构造措施要求。
3 池体选型
　　水池设计时，应选择合理的体型和适当的壁厚。为了结构受力的合理性和工程造价的经济性，池壁和底板尽量设置为双向板，这就要求池体的选型尽量规整。当水池长度较大时需设适应温度变化的伸缩缝，所以水池尽量布置适当的长宽，这需要和其他专业之间沟通和反馈。
　　对于池壁厚度的确定，按经验值通常按hB/20左右选取（hB为池深），通常选取在250～500mm之间。池壁太薄，既不符合规范也给施工增加难度；池壁太厚，可能使计算结果为满足最低配筋率而不经济，也对温湿度作用不利。底板厚度一般为池壁厚度的1.2～1.5倍，底板的抗弯刚度要大于池壁才能满足作为固端约束的要求。底板对池壁的嵌固作用效应的程度与池壁高度、底板单位截条的弹性特征有关，而底板单位截条的弹性特征又与底板的厚度、地基的基床系数有关。当土质较好时，底板厚度可取1.2倍池壁厚度；当土质较差时，底板厚度可取1.5倍池壁厚度。
4 池壁设计
　　水池结构内力分析计算时，合理的选择结构计算简图，与实际情况相符的边界条件的假定，才能保证结构设计的准确可靠。池壁的计算形式通常可分为：（1）三边固定顶端自由或简支板；（2）深池可按上部三边嵌固一边自由或简支板、下部水平闭合框架两部分；（3）浅池按悬臂式挡水墙。
　　池壁顶端和盖板现浇时可按铰接考虑；当池壁设置走道板时，走道板需具有足够的刚度，方可作为池壁的铰支端。对于比较大的水池，可设扶壁柱和拉梁，考虑做成梁柱框架可节省工程投资。扶壁柱承受的荷载面积，由池壁计算简图确定。
　　池壁设计时，须考虑水平角隅的计算问题，浅池壁板的水平向角隅处的局部弯矩应计算；池壁的计算应考虑和底板的弯距分配，这对池壁底部配筋有较大的影响。池壁底部钢筋较密，注意满足规范对钢筋间距不宜小于100mm的要求，而且钢筋间距太密会影响混凝土振捣。
5 底板设计
　　如上所述，底板厚度不宜太小，按1.2～1.5倍池壁厚选取，既保证底板的刚度也是考虑池壁与底板节点平衡。底板的计算简图可采用四边嵌固板计算。
　　底板跨度较小时，假定地基反力按直线分布，可认为底板是固定支撑于池壁上的。此时作用于底板上的池内水重和底板自重与它们引起的地基反力相抵消，而不产生弯曲应力；由池壁和池顶、支柱作用在底板上的力所引起的地基反力，会使底板产生弯曲应力。对于多格水池分格盛水时，地基反力可按照局部均布荷载下的直线分布的原则计算，应分格满池最不利布置进行静力计算。处于软土地基或底板跨度较大时 ，应按弹性地基上的板计算，按文克尔假定或半无限弹性体假定计算。
6 构造措施
　　（1）水池受力构件的混凝土强度等级不低于C25，严寒和寒冷地区不低于C30。控制水胶比和良好的骨料级配，保证混凝土浇捣密实。
　　（2）根据最大作用水头与混凝土厚度的比值，确定抗渗等级为S4、S6、S8，一般水池采用S6可满足要求。水池混凝土的密实性满足抗渗要求时，一般不作其他抗渗处理。
　　（3）池壁相交处、池壁与底板相交处均设腋角和构造钢筋，该处钢筋锚入相邻池壁和底板，满足最小锚固长度的要求。水池受力钢筋计算主要由裂缝验算控制，考虑造价因素，采用二级钢要优于选择三级钢。
　　（4）《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》要求敞口水池顶端宜配置水平向加强钢筋。为加强结构的薄弱处，设计时在池壁顶部和底部均加设水平向钢筋。
　　（5）处于土基上的现浇钢筋混凝土水池，地上水池不超过20m，地下水池不超过30m应设置伸缩缝。当混凝土加外掺剂或设置后浇带时，可缓解温度效应，设计时可酌情考虑伸缩缝间距。
　　水池结构设计须建立在正确的计算模型基础上，选取合理的静力计算简图，计算结果满足强度和裂缝要求，同时注重构造要求，以完善的结构设计满足相应规范和工程要求。
参考文献：
1《给水排水工程结构设计手册》编委会. 给水排水工程结构设计手册（第二版）. 北京：中国建筑工业出版社，2007