水池结构设计特点及问题分析

【摘要】随着城市化进程的不断加快，人们和水的联系越来越密切。市政给排水工程在城市建设中占据了重要的位置，而相应的结构设计直接决定了构筑物的安全使用性能及其寿命。随着建设单位对结构设计优化意识的提高，这就对设计人员提出了更高的要求。因此，本文主要对市政水池结构设计特点及常见问题进行分析，并提出相应的解决方法。

【关键词】水池;结构设计;特点;分析

1、水池结构设计特点

1.1 池墙设计

池墻采用理正结构工具箱进行计算，按强度和裂缝的要求进行配筋设计。池墙的水平向荷载包括：地下水压，池外侧土压（包括地下水压及地面活载影响）;垂直向荷载包括：池内水重和池外土重。为简化计算，通常按池内水压齐顶水压计算。考虑荷载的不利组合为：①池内有水，池外无土;②池外有土，池内无水。

当四边支承的壁板的长度与高度之比大于2.0或三边支承，顶端自由壁板的长度与高度之比大于3.0时，其水平向应该考虑角隅弯矩的影响。

1.2 底板设计

底板计算按弹性地基反力假定，分为单向受力底板和双向受力底板，通常顺单向或双向截取截条，按单跨或多跨连续板进行计算。单向受力底板计算简图如下图所示：

当水池底板的长短边比L1/L2≤2时，需采用双向受力底板进行计算。以常见的污泥调理池为例，计算简图如下：

C 双向受力板计算简图

1.3 抗震设计

水池结构应采用振型分解反应谱法进行地震作用计算。首先，应选择合理的结构体系，再利用有限元软件进行抗震分析。一般结构要验算水平方向的地震作用，即构筑物的两个主轴方向分别计算水平地震作用。

地震效应的基本组合，按下式计算：

结构构件的截面抗震强度验算，应按下式计算：

2、水池结构设计常见问题分析

2.1 池墙顶部约束条件

问题：当池墙顶部存在走道板、工作平台、连系梁等构件时，未考虑其作为池墙的支撑约束条件导致池墙配筋增大。

原因分析：根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》的要求，当考虑池壁顶端的走道板、工作平台作为池壁的支承构件时，应符合下列的要求：

a 板厚不宜小于20cm，并应对其横向受力进行计算。

b 板作为池壁的弹性支承，其反力系数应按下式确定：

式中 αr─弹性支承反力系数;m─板的水平向计算跨度与池壁高度的比值;

HB─池壁高度;  b─池壁计算宽度，通常取b=1;

ng─板的横截面惯性矩与池壁截面惯性矩的比值。

c当符合下式要求时，走道板或工作平台可以视为池壁的不动铰支承：

2.2 池墙与柱协同工作

问题：某地下室外墙按三边支撑，顶端自由的双向板设计（例如送水泵房），框架柱作为支撑边，承受的水平作用未考虑。

原因分析：地下室外墙作为双向板模型计算时，应复核作为地下室外墙侧向支撑的地下室壁柱的截面及配筋，如果承载力明显不满足要求，则应必须修改。

根据规范要求，三边固定、顶端自由的双向板，在均布荷载或三角形荷载作用下的边缘反力，可按照下式进行计算：

得到柱上的水平边缘反力，再复核框架柱在此反力下的配筋大小。

2.3 池墙角隅弯矩

问题：当计算单向板受力悬臂端池墙时，忽视两侧水平端的角隅弯矩的存在，造成配筋偏小，结构存在安全隐患。

原因分析：当池墙作为单向受力板进行计算时，模型中两侧水平段弯矩不计入，而实际会有角隅弯矩的存在，造成端部开裂。

根据《水池》规程，当四边支承壁板的长度与高度之比大于2.0或三边支承、顶端自由壁板的长度与高度之比大于3.0时，其水平向角隅处的局部负弯矩应按下式计算：

2.4 水池抗浮设计

在实际工程中，造成水池上浮的事故时有发生。究其原因，主要是以下几个方面：a 抗浮设计水位设置不合理;b 整体抗浮满足但局部抗浮不满足要求;c 施工过程中降水措施不到位。前两个可以在设计阶段予以考虑完善，最后一个可以在施工阶段保持降水不间断，并使地下水位始终处于池体底板以下解决。水池常用抗浮措施包括：增加水池底板的厚度、水池底板外挑、保证回填土质量、增加覆盖土量等增加水池自重的措施来提高水池的抗浮能力。

2.5 池墙钢筋保护层厚度

问题：某地勘报告中显示地下水对混凝土具弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋、钢结构具有微腐蚀性。在此场地新建一座后臭氧接触池，池墙钢筋保护层厚度取为35mm。

原因分析：根据《工业建筑防腐蚀设计标准》，池墙外侧及地面以下结构环境类别为五类（弱腐蚀），池墙内侧为五类（强腐蚀）。池墙钢筋的混凝土保护层厚度应不小于50 mm。

2.6 水池抗渗抗冻

问题：某大型半地上水池设计过程中，未考虑冻融循环及温度应力的影响，造成水池出现裂缝。

原因分析：大型露天水池需要全面考虑施工季节对结构的影响，减少温度应力，且要科学添加化学添加剂，对其进行抗渗抗冻处理。

2.7 水池地基基础

问题1：桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求，设计未验算桩身强度。（下转76页）

（上接74页）

原因分析：未验算时，属于设计深度不够;明显不能满足要求时，按必须修改复核。

问题2：当桩周土层产生的沉降超过桩基的沉降时，在计算桩基承载力时应计入桩侧负摩阻力，考虑单桩竖向承载力特征值应加入桩侧负摩阻力作为检测值。

原因分析：检测值不必提高;计算单桩承载力特征值时，不考虑该土层;计算桩基承载力时，按桩侧负摩阻力及其引起的下拉荷载扣除，详见《建筑桩基技术规范》第5.4.4条。

问题3：设计未注明“处理地基上的建筑物应在施工期间及使用期间进行沉降观测，直至沉降达到稳定为止”。

原因分析：依据《建筑地基基础处理技术规范》第10.2.7条，设计应注明应此条规定。

2.8 池墙裂缝

问题：某强腐蚀环境类别中，裂缝宽度按0.20mm控制，池墙的受力钢筋不宜小于12mm。

原因分析：根据《工业建筑防腐蚀设计标准》第4.2.4条及4.2.7条规定，在设计工业园污水处理厂及地下水、土有腐蚀性的建（构）筑物时，裂缝限值为0.15mm，钢筋的最小直径要求为16mm。

3、BIM技术运用

BIM技术近年来在市政水池结构设计中得到了广泛的运用。设计人员通过三维信息模型，可以发现结构设计中的不合理之处，不同专业互相矛盾的地方，能够更好地服务结构设计全过程。

BIM技术是一项先进的信息化技术，原则上可以取代原有的设计、施工和项目管理以及运维管理的各种软件和工具，对项目的全过程生命周期产生巨大的价值。目前，BIM技术尚不能完全取代原有设计流程，但依据现有BIM技术，仍然可以提高水池结构设计的效率。

结语：

目前，市面上较多的设计软件都可以对简单及复杂水池进行结构计算及分析，设计人员应当使用不同的设计软件对同一水池建立不同的模型，并分析不同结果的差异性，为水池结构设计提供更加经济、合理的方法和建议。

参考文献：

[1]CECS138：2002.给水排水工程钢筋混凝土水池设计规程[S].

[2]文大鹏.浅谈市政建设中钢筋混凝土水池的结构设计与施工[J].黑龙江科技信息，2016（26）.

[3]高国栋.水池构筑物结构设计在给排水工程中的要点探究[J].住宅与房地产，2017（24）.

作者简介：

蒋诚（1988-），男，工程师，硕士，主要从事市政结构设计工作。