預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱海燕

（廣東省環(huán)境保護(hù)工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510030）

1 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)與普通水池相比具有諸多特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，但從目前來(lái)看，預(yù)應(yīng)力水池在工程設(shè)計(jì)中仍面臨一些難點(diǎn)有待解決，阻礙了預(yù)應(yīng)力水池在污水處理廠中的應(yīng)用?；诖?，有必要對(duì)其展開(kāi)更加深層次的研究，進(jìn)而提升預(yù)應(yīng)力水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率，為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土水池的建設(shè)與推廣提供一些建議與技術(shù)指導(dǎo)。

2 工程概況——以某地區(qū)地下式污水處理池為例

某地區(qū)一污水處理廠，其總規(guī)?？蛇_(dá)到2×105t/d，其中，一期工程的規(guī)模為1×105t/d，在一期工程中總共包括2 座相同的生化池。生化池的底板尺寸為80.5 m×72.5 m，池壁為77.1 m×69.1 m，該生化池屬于半地下式水池，水池凈高總共為7.0 m，地下與地上部分分別為2.1 m 與4.9 m。池體運(yùn)行過(guò)程中有效水深是6.0 m，在地基方面主要使用了CFG 樁復(fù)合地基處理，基礎(chǔ)底板下設(shè)置3∶7 級(jí)配砂石褥墊層，池體的整體設(shè)計(jì)選用了鋼筋混凝土擋水墻。水池四周以及橫向中間隔墻下底板厚度為900 mm，剩下部分是構(gòu)造底板，厚度為450 mm。按照3.1~3.2 m 的距離在壁板上進(jìn)行扶壁柱的設(shè)置，壁板厚度為300 mm。池壁以及生化池底板都采用了C30 等級(jí)的混凝土。池體整體采用了不設(shè)縫設(shè)計(jì)方式，并進(jìn)行2 條后澆帶的設(shè)置。在水池底板、池壁處使用無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用水平直線型方式進(jìn)行布筋，由于本結(jié)構(gòu)是地下式水池，溫度對(duì)底板的影響相對(duì)較小，所以，底板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要采用以普通鋼筋為主，預(yù)應(yīng)力鋼筋為輔的設(shè)計(jì)思路。

3 預(yù)應(yīng)力水池的特點(diǎn)

3.1 適用性

預(yù)應(yīng)力水池能夠根據(jù)場(chǎng)地以及工藝的需求進(jìn)行任何形狀的澆筑，有較強(qiáng)的適用性。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

通常情況下，普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360 MPa，而預(yù)應(yīng)力鋼絞線的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1 320 MPa，由此可見(jiàn)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的強(qiáng)度比普通鋼筋高很多。所以，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以將預(yù)應(yīng)力水池的頂板、池壁以及底板設(shè)計(jì)得比普通水池更薄。與全鋼水池相比，節(jié)省了高額周期性防腐費(fèi)用。

3.3 防水性

預(yù)應(yīng)力水池的應(yīng)用減少了傳統(tǒng)溫度伸縮縫的設(shè)置，因此，避免了普通水池底板伸縮縫滲漏問(wèn)題，并且還會(huì)對(duì)底板進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，能夠在極大程度上控制水池裂縫的出現(xiàn)，提高水池的防水性能[1]。

3.4 耐久性

預(yù)應(yīng)力可以緩解混凝土的收縮裂縫問(wèn)題，保護(hù)鋼筋不因混凝土出現(xiàn)裂縫而受到腐蝕。除此以外，通常會(huì)采用高密度聚乙烯塑料管或者鋼管等具有良好不透水性的材料對(duì)有黏結(jié)和無(wú)黏結(jié)的鋼絞線進(jìn)行包裹[2]，從根本上杜絕了鋼絞線的腐蝕問(wèn)題。

3.5 周期短

預(yù)應(yīng)力水池具有施工周期短、效率高的特點(diǎn)，由于預(yù)應(yīng)力水池底板和池壁可以取消溫度伸縮縫，所以能夠一次性完成澆筑，在短時(shí)間內(nèi)便能夠完成大型混凝土水池底板的混凝土澆筑工作。可以采用一次或者分段的方式進(jìn)行池壁澆筑，而頂板可以一次澆筑完成，所以，相對(duì)于普通水池施工，預(yù)應(yīng)力水池的施工速度更快。上述多種應(yīng)用優(yōu)勢(shì)使預(yù)應(yīng)力水池在當(dāng)下業(yè)界得到了廣泛贊譽(yù)，尤其是對(duì)于有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的工程師和業(yè)主，更是傾向于選用后張預(yù)應(yīng)力技術(shù)針對(duì)水池滲漏這一高頻問(wèn)題進(jìn)行解決。

4 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

4.1 水池荷載計(jì)算

4.1.1 池壁荷載

作用在池壁的荷載主要由地下水壓力、池外土壓力以及池內(nèi)水壓力組成。其中，水池所承受的最主要荷載是池內(nèi)水壓力，通常情況下會(huì)按照滿池對(duì)水壓進(jìn)行計(jì)算。施工過(guò)程中，挖掘深度常超過(guò)原設(shè)計(jì)水位，與此同時(shí)，若實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)滿池現(xiàn)象，能夠有效對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性進(jìn)行保障。由于本工程屬于半地下式水池，所以，池壁會(huì)受到土層的側(cè)壓力，通?？梢允褂美士现鲃?dòng)壓力理論對(duì)側(cè)壓力進(jìn)行計(jì)算。相關(guān)工作人員可以結(jié)合巖土勘察報(bào)告中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)土的各參數(shù)進(jìn)行確定。若地面無(wú)堆載，地面活荷載可取10 kN/m2。若地下水位線處在水池埋置深度范圍內(nèi)，則池壁外側(cè)不能僅考慮地下水的壓力，還應(yīng)在此基礎(chǔ)上明確地下水位以下的土層在受到水的浮力后降低了土層的有效重度進(jìn)而對(duì)土壓力造成的影響。除此以外，地下水還會(huì)對(duì)池體產(chǎn)生托浮作用，設(shè)計(jì)人員在正式開(kāi)展設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，需要科學(xué)地進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算，同時(shí)還要進(jìn)行排水盲溝的設(shè)置，或者采取其他有效措施盡量避免有可能出現(xiàn)的水池上浮事故[3]。

4.1.2 池頂荷載

針對(duì)有頂蓋的封閉式水池，需要對(duì)作用在池頂板上的豎向荷載進(jìn)行計(jì)算，主要包含活荷載、雪荷載、覆土重、防水層重以及頂板自重的計(jì)算，要注意的是，不需要對(duì)活荷載以及雪荷載進(jìn)行同時(shí)考慮。

4.1.3 溫度荷載與濕度荷載

池壁本身會(huì)受到多種因素的影響，包括季節(jié)變化、工藝要求以及混凝土硬化過(guò)程中所生成的水化熱等都會(huì)使池壁出現(xiàn)收縮以及膨脹問(wèn)題，若變形存在一定的約束，會(huì)導(dǎo)使池體中出現(xiàn)一定的濕度和溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致池壁裂縫，而且部分地區(qū)在早晚或冬夏季都存在較大的溫差和濕度差，所以，更需要科學(xué)合理地開(kāi)展溫濕度荷載計(jì)算。

4.2 水池內(nèi)力計(jì)算

4.2.1 池壁邊界條件假定

針對(duì)開(kāi)敞式水池池壁，可以假定其邊界條件為三邊固接、頂邊自由的板。而對(duì)于有頂蓋的封閉式水池池壁，可以結(jié)合其同頂板本身所具有的連接情況，將其邊界條件假定為三邊固接、頂邊鉸接或者彈性支承的板。若池壁同頂板整體相連，同時(shí)，池壁線的剛度在頂板線剛度的5 倍以上時(shí)，可以假定池壁頂端是鉸接形式，反之則是彈性支承。

4.2.2 池壁內(nèi)力計(jì)算

矩形水池的壁板是矩形板，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)矩形板的計(jì)算方法，將其分成單向板和雙向板展開(kāi)相應(yīng)的計(jì)算工作。若池壁是單向板，在受到水平荷載作用的條件下，荷載大多會(huì)沿豎向進(jìn)行傳遞，在計(jì)算過(guò)程中，需要沿著池壁高度（H）以1 m 作為計(jì)算單元寬度，將池壁等效為豎向單向板進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于開(kāi)敞式水池池壁，需要按照懸臂板進(jìn)行計(jì)算。在池壁同相鄰池壁的連接位置上，池壁位移會(huì)受到一定的限制，荷載既可以沿豎向進(jìn)行傳遞，又可以沿水平方向進(jìn)行傳遞，所以，應(yīng)對(duì)角隅的水平向局部彎矩最大值進(jìn)行計(jì)算。通常情況下，角隅彎矩包含2 種分布狀態(tài)：（1）當(dāng)池頂是自由邊時(shí)，產(chǎn)生在頂端，角隅彎矩的零點(diǎn)同池壁豎向邊存在約0.6 H 的距離；（2）當(dāng)池頂是彈性支承或者鉸接的情況下，角隅彎矩則產(chǎn)生于池壁高度的中部，其零點(diǎn)同池壁豎向邊有約0.25 H 的距離。

4.2.3 底板內(nèi)力計(jì)算

當(dāng)池底位于最高地下水位以上，地基自身有比較均勻的中、低壓縮性，而池型平面尺寸比較小時(shí)，可以根據(jù)線性分布對(duì)地基反力進(jìn)行考慮，可以將水池底板做成變截面和等厚截面2 種形式，但在底板內(nèi)力的計(jì)算中，2 種形式存在一定的差異性。若采用等截面的形式對(duì)水池底板進(jìn)行制作，可以根據(jù)均勻線性分布進(jìn)行地基反力的計(jì)算，沿著短邊以及長(zhǎng)邊方向各取1 m 的寬截條，按照多跨或者單跨連續(xù)板進(jìn)行計(jì)算，可以不對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。但若采用變截面的形式對(duì)水池底板進(jìn)行制作，便可以沿池壁做成條形基礎(chǔ)，而池底的其余部分則使用構(gòu)造底板，地基反力根據(jù)邊緣最大的最小反力斜直線分布[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在保證安全性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，優(yōu)化開(kāi)展預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，能夠發(fā)揮材料性能有效提升工程整體經(jīng)濟(jì)性。應(yīng)用預(yù)應(yīng)力鋼筋能提高水池質(zhì)量，有效控制水池的裂縫。因此，設(shè)計(jì)人員要結(jié)合工程實(shí)際情況以及業(yè)主的需求，注重預(yù)應(yīng)力鋼筋在混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用，解決預(yù)應(yīng)力水池結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，并切實(shí)體現(xiàn)出其本身所具有的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，減少其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所面臨的各種安全隱患。