摘要：本文根據(jù)水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和方法，首先對(duì)作用于水池上的荷載進(jìn)行組合，然后進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，以求得滿足水池結(jié)構(gòu)要求的強(qiáng)度，同時(shí)考慮防腐、抗?jié)B等特殊設(shè)計(jì)要求，以確保水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范和經(jīng)濟(jì)合理。作者以在施工中常接觸到的鋼筋混凝土矩形水池為例談一談水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：水池結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

一、水池荷載和內(nèi)力組合

（一）結(jié)構(gòu)上的作用

1.結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值

水池結(jié)構(gòu)自重按構(gòu)件的實(shí)際尺寸計(jì)算，以結(jié)構(gòu)構(gòu)件體積乘以相應(yīng)材料的容重，鋼筋混凝土的容重為25kN/m3,無筋素混凝土的容重為23kN/m3。

2.豎直方向的土壓力標(biāo)準(zhǔn)值

對(duì)于地下式水池作用于池頂板上的土壓力以實(shí)際覆土厚度計(jì)算，當(dāng)水池頂板長(zhǎng)寬比>10 時(shí)，計(jì)算得出的土壓力值再乘以壓力系數(shù)1.2，覆土容重為18kN/m3。

3.側(cè)向土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值

計(jì)算水池側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，對(duì)位于地下水位以上的水池部分受到的側(cè)向土壓力按郎肯主動(dòng)土壓力公式計(jì)算，對(duì)應(yīng)土的容重取18kN/m3；地下水位以下的水池部分受到的土壓力應(yīng)有主動(dòng)土壓力和地下水靜止?fàn)顟B(tài)下的水壓力之和，對(duì)應(yīng)土的容重為10kN/m3。

4.水池內(nèi)的水壓力

水池內(nèi)的水壓力按設(shè)計(jì)水位的靜水壓計(jì)算，水的容重為10KN/m3。

5.水池頂板的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值

不上人水池頂板的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.7kN/m3，準(zhǔn)永久值系數(shù)為0；上人水池頂板的荷載標(biāo)準(zhǔn)值取1.5kN/m3，準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.4。

6.施工機(jī)械設(shè)備的荷載

根據(jù)施工條件驗(yàn)算施工機(jī)械設(shè)備荷載，其標(biāo)準(zhǔn)值按機(jī)械設(shè)備使用重量采用，準(zhǔn)永久值系數(shù)為0。

7.雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值

當(dāng)水池頂同時(shí)作用有活荷載和雪荷載時(shí)，應(yīng)取二者較大的；

僅作用雪荷載時(shí)，只采用雪荷載計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)值。

8.地下水對(duì)水池的作用標(biāo)準(zhǔn)值

地下水對(duì)水池作用的標(biāo)準(zhǔn)值，可按以下規(guī)定采用：

（1）水對(duì)水池各部分的水壓力按靜止?fàn)顟B(tài)下水壓力計(jì)算。

（2）地下水的設(shè)計(jì)水位，依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的數(shù)據(jù)采用，宜應(yīng)根據(jù)近期內(nèi)地下水位的變化和補(bǔ)給的趨勢(shì)確定。

（3）根據(jù)對(duì)水池結(jié)構(gòu)的不利效應(yīng)確定水壓力標(biāo)準(zhǔn)值的相應(yīng)設(shè)計(jì)水位。

（4）地下水(包括上層滯水)對(duì)結(jié)構(gòu)浮力的標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按最高水位乘以浮托力折減系數(shù)確定。

9.溫、濕度變化作用

水池的溫度、濕度變化作用標(biāo)準(zhǔn)值Ftk，應(yīng)符合以下規(guī)定：

（1）地下水池或設(shè)有保溫設(shè)施的水池可不考慮溫、濕度變化的作用。

（2）露在空氣中的水池，池壁壁面的濕度當(dāng)量溫差按10℃取。

（3）溫、濕度變化作用的準(zhǔn)永久值系數(shù)應(yīng)取1.0。

10.地面堆積荷載的標(biāo)準(zhǔn)值

荷載標(biāo)準(zhǔn)值取10kN/m3，其準(zhǔn)永久系數(shù)可取0.5。

（二）池頂荷載

作用于水池頂板上的荷載可分為永久荷載和可變荷載，永久荷載包括頂板自重、防水層重、覆土重等，按實(shí)際作用情況確定；可變荷載包括活荷載和雪荷載，計(jì)算時(shí)二者不同時(shí)考慮，取二者中較大者，活荷載指人、車及堆放物引起的重力荷載，按實(shí)際考慮，一般計(jì)算時(shí)常取1.5kN/m3。

（三）池壁荷載

池壁荷載主要指水平上的水壓力和土壓力

1.水壓力Pwk=rwHw

式中：rw為水的容重；Hw為設(shè)計(jì)水深，池頂下20cm~30cm，簡(jiǎn)化起見取凈高。

2.土壓力

（1）池壁頂端：Psk =r(Hs+H1)tg2(45°-)

式中：r 為土的容重，Hs 為覆土厚，H1為頂板厚，θ為土的內(nèi)摩擦角。

（2）池壁底端（按郎肯主動(dòng)土壓力理論計(jì)算）

無地下水時(shí)Psk2=r(Hs+H1+Hn′)tg2(45°-)

式中：Hn為池壁凈高。

有地下水時(shí)Psk2=[r(Hs+H1+Hn- Hn′)+r′Hn′]tg2(45°- )

式中：Hn′為地下水位高，r′為地下水位以下填土重度。

（3）地面活荷載引起的側(cè)壓力附加

Pqk =qktg2(45°- )

（4）地下水壓力在池壁底部的標(biāo)準(zhǔn)值Pw′=RwHw′。

3.各種側(cè)壓力組合

（1）當(dāng)池底位于地下水位以上時(shí)，頂端外側(cè)壓力組合標(biāo)準(zhǔn)值為Pkl=Psk1+Pqk；

底端側(cè)壓力組合標(biāo)準(zhǔn)值為Pk2 =Psk2+Pqk。

（2）當(dāng)池底位于地下水位以下時(shí)，底端側(cè)壓力組合標(biāo)準(zhǔn)值為

Pk2=Psk2+Pqk+Pwk′

（四）池底荷載與地基土反力

地基反力主要由以下幾種荷載作用引起：

1.由池頂活荷載引起取qk=1.5kN/m2

2.由池頂覆土引起取qs（根據(jù)實(shí)際計(jì)算確定qs值）。

3.由池頂自重Gr 池壁自重Gw 及支柱自重Gc 引起，取單位面積自重和。

（五）荷載組合

地下式水池設(shè)計(jì)中通�？紤]以下3 種荷載組合：

1.池外無土，池內(nèi)滿水（回填前試水階段）。

2.池外無土，池內(nèi)無水（使用階段水放空）。

3.池外無土，池內(nèi)有水（使用滿池時(shí)）。

二、水池的內(nèi)力計(jì)算

水池的內(nèi)力計(jì)算主要包括池壁、池底板和池頂板內(nèi)力計(jì)算，本文著重討論有蓋矩形水池的內(nèi)力計(jì)算，根據(jù)受力特點(diǎn)可將水池分為深水池、淺水池和雙向板式水池。

<0.5 時(shí)按深池計(jì)算；0.5≤≤2 時(shí)按雙向板式水池計(jì)算；>2 時(shí)按淺池計(jì)算，按豎向單向計(jì)算，水平向角隅處應(yīng)考慮角隅效應(yīng)引起的水平向負(fù)彎矩。

（一）池壁計(jì)算（有頂蓋矩形水池）

以淺池為例計(jì)算池壁內(nèi)力，當(dāng)池壁與池頂板線剛度之比>5時(shí)，可假設(shè)池壁頂端鉸支、底端固定的三角形荷載。

1.水壓力

兩端剪力

任意點(diǎn)彎矩，當(dāng)x=0.447H 時(shí)，Mmax=0.0298PH2。

底端彎矩

2.土壓力

此時(shí)池壁與底板、頂板可視為頂端鉸支，底端固定的梯形荷載。

兩端剪力

任意點(diǎn)彎矩

可求得當(dāng)

底端彎矩

式中：

3.角隅彎矩

水池池壁水平方向的中段所受的彎矩按豎向單向受力構(gòu)件求得較符合實(shí)際，依此計(jì)算池壁兩端的彎矩其結(jié)果偏大，原因是在池壁四角水平側(cè)壓力較大，產(chǎn)生的水平彎矩亦較大，這些水平彎矩在設(shè)計(jì)時(shí)以角隅彎矩考慮。

池壁在轉(zhuǎn)角處的水平彎矩區(qū)，沿池壁高度的最大值Mc=mPH2

式中：P 為池壁側(cè)向分布荷載最大值。

（二）頂蓋與底板的計(jì)算

1.頂蓋

水池的頂蓋設(shè)計(jì)與樓蓋設(shè)計(jì)相同，水池頂蓋四邊支撐于池壁上，按單跨板或多跨連續(xù)板計(jì)算。

（1）確定單雙向板

當(dāng) ≥3 時(shí)可沿短跨方向受力的單向板設(shè)計(jì)；

當(dāng)3> >2 時(shí)宜按雙向板設(shè)計(jì)，如仍按單向板設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)短邊支座的構(gòu)造配筋；

當(dāng)2≥>1 時(shí)，應(yīng)按雙向板設(shè)計(jì)。

（2）單向板肋梁頂板設(shè)計(jì)

①板的計(jì)算步驟：沿板的長(zhǎng)邊方向截取1m板寬作為計(jì)算單元→荷載計(jì)算→按塑性內(nèi)力重分布法計(jì)算內(nèi)力→配筋計(jì)算→選配鋼筋。

②次梁設(shè)計(jì)

次梁的計(jì)算步驟:初選截面尺寸→荷載計(jì)算→按塑性內(nèi)力重分布法計(jì)算內(nèi)力→計(jì)算縱向鋼筋→計(jì)算箍筋及彎起鋼筋→確定構(gòu)造鋼筋。

③主梁設(shè)計(jì)

主梁的計(jì)算步驟：初選截面尺寸→荷載計(jì)算→按彈性理論計(jì)算內(nèi)力→計(jì)算縱向鋼筋→箍筋及彎起鋼筋→確定構(gòu)造鋼筋。

（3）雙向板肋梁頂蓋設(shè)計(jì)（與單向板肋梁頂板設(shè)計(jì)相同）。

2.底板

（1）單向受力的底板，沿短向截取池底寬1m，按單跨板或多跨連續(xù)板計(jì)算。作用于板上的荷載為池蓋、池壁、上部設(shè)備及活荷載等（ΣG），作用下的地基反力P=ΣG/A（A 為池底板面積），但應(yīng)考慮池壁下端的彎矩作為力偶荷載作用于兩端。底端所受軸力等于其兩端池壁下端的剪力。

（2）雙向受力的池底沿垂直于底板邊沿兩個(gè)方向（可標(biāo)為x、y 向）截取池底各寬1m，分別按單跨板或多跨連續(xù)板計(jì)算且作用于池底上的荷載P0 沿x y 向分布為Px=Y P0 Py= (1- Y)P0,y 由雙向板的計(jì)算系數(shù)查用，其他計(jì)算同單向板。

三、構(gòu)造要求

（一）一般構(gòu)造要求

配筋方式：池壁與池壁轉(zhuǎn)角處、池壁與底板頂板連接處應(yīng)配置≮Φ8@200 的構(gòu)造筋，并在轉(zhuǎn)角處設(shè)45°腋角，以增強(qiáng)連接處的抗裂性。

池壁底板的受力筋應(yīng)采用間距較密直徑較小的鋼筋，當(dāng)鋼筋直徑≤10mm時(shí)采用HPB325 級(jí)鋼筋；當(dāng)鋼筋直徑>10mm時(shí)，采用HRB325 級(jí)鋼筋。

（二）伸縮縫的構(gòu)造

伸縮縫上下貫通，確保兩側(cè)的溫度區(qū)段具有充裕的伸縮余地，伸縮縫寬度為20~25mm，長(zhǎng)度>30m。

（三）抗震構(gòu)造要求

要保證整體性，取決于連接的可靠程度及結(jié)構(gòu)本身的剛度和強(qiáng)度。連接筋配筋率加密區(qū)等措施。

四、結(jié)論

本文著重從荷載計(jì)算及內(nèi)力組合、內(nèi)力計(jì)算和構(gòu)造措施3個(gè)方面，闡述了水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題�？傊挥羞x取合理的結(jié)構(gòu)方案，假定邊界條件時(shí)應(yīng)盡量與實(shí)際情況相符合，并結(jié)合水池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，才能把水池設(shè)計(jì)的更加可靠和經(jīng)濟(jì)合理。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙鐵軍. 關(guān)于水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的探討（J）. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010，( 9) .

[2] 廖莎. 給水排水工程結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2006.

[3] 郝素英. 鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)[M] . 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[4] 孫克鋼. 筋混凝土特種結(jié)構(gòu)[M] . 北京：河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院建筑工程教研室4- 89

[5] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009- 2001.

[6] 給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50069- 2002.