淺析大型鋼筋混凝土水池設計方法

關宇

（中國昆侖工程公司，北京 100037）

1 概述

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生產規(guī)模的不短擴大，現(xiàn)在混凝土水池的尺寸和容量向越來越大的趨勢發(fā)展。

按現(xiàn)行的《給水排水工程構筑物結構設計規(guī)范》GB50069-2002（以下簡稱規(guī)范）的要求，在室外露天的條件下每20m設置一道伸縮縫。常用做法是在伸縮縫之間設置橡膠止水帶。這種方法應用在小尺寸的水池（如40m以內時），效果比較理想。但在大型水池中，由于尺寸非常大，需要縱橫方向設置多條伸縮縫。把水池分成很多個獨立的單元，這樣會存在幾個問題。（1）橡膠止水帶因為材料特性原因容易老化，影響使用年限。（2）伸縮縫處普遍存在漏水和滲水問題。因為伸縮縫處節(jié)點構造復雜，混凝土澆筑時不容易澆實。一旦漏水會造成環(huán)境污染，甚至造成水池基礎塌陷，產生較大變形，將底板拉壞。（3）抗震性能差。因為水池被分成多個單元，水池整體性比較差，在地震作用下伸縮縫處很容易撞壞或拉壞。

根據(jù)規(guī)范的要求，水池除需要進行承載能力極限狀態(tài)下的強度驗算外，在正常使用極限狀態(tài)下，水池還需要進行正常使用極限狀態(tài)下的裂縫驗算。當池壁為雙向板或池壁高度小于6m時，池壁的支座、跨中彎矩值都不是很大，此時水池的壁厚和配筋都不太大。普通鋼筋混凝土結構形式一般均可滿足強度和裂縫寬度限制的要求，相對經(jīng)濟合理。但有時為滿足工藝的要求，水池的尺寸會很大。此時池壁的計算模型常常為單向板且池壁很高（大于7m）。計算后池壁所得彎距值很大。此時如仍然采用普通鋼筋混凝土結構，在滿足裂縫要求的情況下就會造成池壁很厚，配筋量也很大。

2 預應力技術在大型水池中應用

2.1 由于水池尺寸過長，設置伸縮縫又存在很多弊端。如不設置伸縮縫，混凝土產生的溫度應力非常大，會造成池壁開裂。通過對池壁和池底施加預應力可以有效解決溫度應力問題。此外，通過在池壁施加預應力還可以有效減少池壁厚度并有效控制裂縫。

2.2 下面以某污水處理廠中事故調節(jié)池為例，介紹如何應用有限元軟件ANSYS計算水池應力，并對其進行預應力設計。工程概況：

調節(jié)池長96m，寬70m，池壁高度8.5m。為矩形多格有蓋（池蓋采用鋼檁條上鋪設玻璃鋼瓦）水池。水池充水高度7.5m，池底板埋深1.2m。水池平面見圖1。

圖1 事故調節(jié)池底板平面布置圖

2.2.1 計算模型

在水池池壁設置500×800和800×800扶壁柱（具體位置見圖一），在池壁頂部設置300×800圈梁。因為事故池跨度為48米，故在池中中設置500×500框架柱，用來減少池頂板拉梁的計算長度。水池長期在水溫80℃狀態(tài)下工作。水池基礎采用預應力混凝土管樁PHC 500 AB 100-26，底板厚度600mm,池壁厚度400mm,混凝土強度C40，鋼筋采用HRB400。由于水池體型巨大，且充水水位較高，在使用荷載下較易出現(xiàn)裂縫，導致滲漏，為防止池壁、池底混凝土在水壓力、水溫度及混凝土收縮徐變作用下出現(xiàn)裂縫，在各矩形水池池壁、池底中均配置了無粘結預應力筋，在池頂拉梁中配置有粘結預應力筋。扶壁柱、拉梁、樁基礎采用beam188單元，池壁采用shell63單元，樁基邊界條件為樁端剛接，具體模型見圖2。

圖2 數(shù)值模擬計算模型

2.2.2 計算結果分析

（1）荷載工況

該調節(jié)水池池壁高8.5m，設計水位位于池壁7.5m高處，承受80℃水壓力作用。水池各部位具體荷載作用如下：池壁：7.5m水壓力作用，池壁底部壓強為0.075Mpa；80℃溫度作用；池底：0.075Mpa水壓力；80℃溫度作用；扶壁柱：80℃溫度作用；主拉梁：自重作用和頂蓋荷載；次拉梁：自重作用和頂蓋荷載。

（2）計算結果分析

由于計算結果的通用性，本文選取A軸池壁進行分析。圖3～圖6所示為A軸池壁豎向變形、水平變形及水平應力、垂直應力分布圖。

圖3 A軸池壁豎向變形云圖

圖4 A軸池壁水平變形云圖

圖5 A軸池壁水平應力分布云圖

圖6 A軸池壁垂直應力分布云圖

根據(jù)上述變形云圖可知，A軸池壁的水平最大位移為4.75mm，出現(xiàn)在池壁中部位置；其豎向最大位移為2.71mm，出現(xiàn)在池壁的最上部。同時，由應力分布云圖可知，A軸池壁水平應力最大值發(fā)生在長池壁與短池壁的交界位置處，其值為6.06MPa；最大垂直應力發(fā)生在A軸池壁與底板的交界處，其值為11.23MPa。

2.2.3 水池預應力設計

由于該水池容積大，一旦發(fā)生滲漏將產生非常大危害。因此，該水池采用一級抗裂等級。在設計時，采用的預應力為1860Mpa，ΦS15.2mm預應力鋼絞線。預應力鋼絞線控制應力取δcon=0.75 fptk，首先根據(jù)裂縫控制條件估算Npe，然后求得預應力筋根數(shù)，最后根據(jù)預應力度求得非預應力面積。預應力筋布置如圖7所示。

池壁非預應力筋施工圖如圖8所示。

3 大型鋼筋混凝土水池設計時經(jīng)常采用的其他構造措施

3.1 設置后澆帶

后澆帶的施工工藝是在帶兩側先澆筑混凝土，待兩側混凝土澆筑40～60d后采用比兩側強度高一級的混凝土進行帶內澆筑來減少大體積或者超長結構混凝土裂縫產生的方法。后澆帶存在一些缺點：一般設計要求后澆帶的澆筑時間需待兩側結構混凝土澆筑后兩個月，因此在很多工程中這樣會影響總工期。后澆帶在兩側混凝土澆筑后需要對其進行保護、清理與鑿毛，給后期施工無形中增添了一定的工程量。由于有施工縫存在，在地下工程及其他有防水要求的地方，增加了滲漏隱患。

3.2 設置膨脹加強帶

連續(xù)式膨脹加強帶需要在帶內和帶外添加補償收縮混凝土，有限制膨脹率的要求。連續(xù)澆筑方式就是帶內和帶外混凝土一起澆筑，兩側均不埋設止水鋼板，因此工期大大縮短，澆筑完畢后沒有施工縫。由于膨脹加強帶的整個結構都需要添加膨脹劑，因此在材料價格方面會大于后澆帶，（每噸外加劑的價格在1000-1600左右，一千方的混凝土大概需要添加30噸左右）。本工程采用的是連續(xù)式膨脹加強帶做法，具體設置位置見圖1。

結語

由于采用無粘結預應力技術，水池各構件尺寸均有一定程度的減少。和普通混凝土水池相比，池壁尺寸大約可以減小20-40%。普通鋼筋使用量減少約20%-40%。雖然總造價略高于普通混凝土水池，但預應力水池取消了伸縮縫，使得水池整體性，耐久性、抗震性、抗?jié)B性能得到很大提高。此外預應力水池由于取消了伸縮縫，使得施工周期大大縮減。隨著無粘結預應力技術的不斷發(fā)展，其造價也在不斷的降低。加之上述的各項優(yōu)點可以解決大型混凝土水池設計中采用普通混凝土結構不能解決的實際問題，越來越多的業(yè)主和工程師的青睞。

[1]陶學康.無粘結預應力混凝土設計與施工[M].北京：地震出版社.

[2]中國建筑科學研究院.JGJ92-2004.無粘結預應力混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[3]中華人民共和國國家標準.GB50069-2002.給水排水工程構筑物結構設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[4]中國工程建設標準化協(xié)會標準.CECS138-2002.給排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.