矩形水池结构的设计

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摘 要 随着环境破坏的日趋严重和人类环保意识的日益增长，污水处理的重要性越来越明显。由于土建结构在污水处理工程中的投资比例大约占35%～45%之间，结构设计在工程中的作用是十分重要的。怎样结构选型，怎样选取计算模型，对工程的造价，安全等至关重要。本文主要对常见工程构筑物的结构设计进行总结，以更好的为环保事业做出自己的贡献。

关 键 词 构筑物；结构设计；结构选型；荷载取值；池壁计算；池底计算；抗浮

中图分类号：TU279 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）022-141-1

1 结构选型

当地基土质较好，地基承载力特征值不小于150 Kpa，且无地下水地区的浅池壁，其设计原则可以按挡土墙设计。当水池较深时，可以在池壁外侧设置垂直向扶壁或水平向肋梁。池壁与底板之间的连接，可设计成止水缝的分离式结构和底板局部加厚的整体结构两种。池壁为单向板时，板厚可取（1/10～1/20）H；当池壁为双向板受力时，则板厚可取（1/20～1/30）H。当池壁较高时，壁厚也可以采用变截面。底板的宽度一般按计算确定，一般采用（0.4～0.8）H，底板的厚度一般按计算确定。

水池设计分为顶板设计，池壁设计和底板设计。由于顶板设计与普通楼板设计相似在此不再赘述，下面着重总结一下池壁和池底的设计方法。

当地下水位较高，地基承载力特征值较低时，一般采用常规水池设计。常规水池，分为圆形水池，矩形水池，漏斗形水池等等不一而足，下面主要总结一下矩形水池的计算。

荷载取值的问题：

1）池内水压力。池内水压作为水池类构筑物的主要荷载，池内水压荷载的取值大小对于水池的下端弯矩影响较大。按照设计规范，池内水荷载可以按照恒载处理，荷载分项系数按1.2设计。最高水位按照工艺提供的极限水位设计即可。这样可以节省大量的投资。

2）池外水浮力。地下水位，根据不同的工程而不同。当地下水位较浅时，为安全起见，一般按照地坪下500 mm设计，虽然大部分场地需整平抬高，但在一定的年限后，地下水位可以相应的提高；当地下水位很低时，可以参照地勘报告所提的标高提高1000 mm左右设计，一般是安全和经济的。根据经验，按以上方式确定地下水位抗浮计算，没出现过工程问题，说明是安全可靠的。

3）温、湿度作用。由于构筑物一般都是露天结构，一年四季的温差，湿度变化是不可避免的。温差，湿差引起的结构应力很容易产生有害裂缝，也是不可忽视的。在具体设计时，按规程提供的方法计算即可。

2 池壁计算

1）水平向池壁弯矩的计算。

①水平向池壁的线刚度i：i=EJ/L

②固端弯矩在水平向进行一次分配；节点间的弯矩相互不传递，节点弯矩的分配系数r：r=i/Σi

③支座弯矩和跨中弯矩按刚度分配后调整的弯矩值计算。

2）垂直向的弯矩My直接按双向板或单向板的计算值计算，其节点弯矩一般不再进行调整。

3）水平轴向力N。

池壁水平轴向力的计算：Nad=Qab Ncr=Qcb Nbe=Qab+Qbc

Q=剪力系数XqH （剪力系数在相关的水处理手册中查找）

4）深池池壁计算。

深池池壁按上下两部分计算，下部1.5a（a为水池平面的长边）范围内，按一般池壁计算。上部如没有顶板或有顶板但按简支计算时，按水平框架计算；如有顶板时且按刚接计算时，其计算与下部计算相似。

常规设计时，大家都注意了池壁板的计算，但角隅区的弯矩计算往往是设计人员容易疏忽但很重要的计算：

所有浅池池壁均需在池体的角隅区验算由于转角约束影响所产生的水平弯矩，相应的此区域的垂直弯矩也将发生相对应的变化。

角隅区水平弯矩计算：Mx=xrwH3KN.M

角隅区垂直弯矩计算：My=yrwH3KN.M

（公式中的系数x，y可查相关的水处理手册图标）

3 底板计算

1）底板承受地基反力，地下水浮力以及上部结构传来的荷载。

2）除长池可按框架分析外，通常假设底板为简支于池壁之上，池壁在侧压力作用下的底端弯矩作为力偶荷载传递给底板。

3）底板根据每个水池平面尺寸的长宽比，分为单向底板或双向底板；分别顺单向或双向截取截条，按单跨或多跨连续梁进行计算。

4 抗浮计算

由于工程场地的千变万化，不同场地的地下水位及地基承载力各不相同。所以各个工程的方案都有所不同。一下是平时设计过程中常用的几种抗浮方法，总结如下。

1）当地下水位较低且地基承载力较高时，采用水池自重抗浮往往能满足抗浮要求，且比较经济。

2）当地下水位较高，水池自重无法满足抗浮要求时，可以采用水池自重和池外壁土重共同抗浮（水池底板四周伸出适当宽度的耳朵）。利用池外壁土重抗压时，土的计算面积可以根据土的内摩擦角确定。

3）当水位较高，以上方法都无法满足时，可以采用桩基抗浮。

5 造构措施

1）根据规范可知，为减小池壁、底板的裂缝，受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距，尽可能采用HRB335级钢筋，根据比较，在同一个工程中，采用HRB335和HRB400钢筋，配筋率相近，所以为了减少投资，尽量采用HRB335钢筋。

2）“暗梁”、“暗柱”。现浇钢筋混凝土水池在角隅处容易产生应力集中现象，很容易出现裂缝，因此必须适当加强，根据工程经验，设置“暗梁”、“暗柱”安全有效。

3）角隅配筋。浅池池壁角隅区域的里外侧都需设置水平加强钢筋。

4）腋角。池壁与池壁间，腋角高度c=0.8～1.0a（a为壁厚），配筋面积不小于1/2～1/3受力钢筋面积，间距为受力钢筋的2倍。池壁与底板之间，腋角高度c=0.6～1.0t（t为底板厚度）。

6 结束语

随着近年环保形势的恶化，污水处理项目会越来越受到社会各界的关注，怎么样用最小的投资，换回最大的社会效益，是摆在本行业各个专业设计人员面前的一道难题，也是必须要克服的难题。

参考文献

[1]CECS 138：2002 给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]郭天木.贮水构筑物底板内力的合理计算[J].特种结构，2004，21（1）.

[3]给水排水工程结构设计手册[M].中国建筑工业出版社，1984.