探討水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文／黃起成 中山市環(huán)保產(chǎn)業(yè)有限公司 廣東中山 528400

引言：

隨著工業(yè)化不斷發(fā)展，人類生活城市化的不斷集中，環(huán)境保護(hù)的需求等因素影響下，水池類構(gòu)筑物工程的建設(shè)顯逐年遞增的趨勢(shì)。下面從結(jié)構(gòu)專業(yè)的角度對(duì)水池設(shè)計(jì)所涉及的一些問題進(jìn)行探討，以保證水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的合理性、安全性及經(jīng)濟(jì)性。

1、水池結(jié)構(gòu)形式的選擇及計(jì)算

由于水泥水化熱和溫度應(yīng)力的不利影響，故建議盡量選擇能減少水池池壁壁厚的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)本人十幾年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，個(gè)人建議水池池深在4.5 米以下的可以采用常規(guī)的結(jié)構(gòu)體系，如池壁為懸臂式的結(jié)構(gòu)體系，池壁按單、雙向板計(jì)算的結(jié)構(gòu)體系等。水池池深在5 米以上的，個(gè)人建議單層水池可以采用扶壁式、水平肋梁式或框架式的結(jié)構(gòu)體系，而多層水池個(gè)人建議盡量采用框架式的結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于框架式的結(jié)構(gòu)體系在教科書及相應(yīng)的水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)書籍上提及甚少，但在我個(gè)人這十幾年的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用過程中，框架式的結(jié)構(gòu)體系水池在安全、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上還是取得不錯(cuò)的效果。下面針對(duì)于框架式的結(jié)構(gòu)體系水池提出我自己的個(gè)人拙見：

框架式結(jié)構(gòu)體系水池顧名思義就是在池壁內(nèi)加設(shè)框架柱來傳遞池壁水平張力，池底（頂）加設(shè)框架梁與池壁框架柱連接，從而形成框架受力體系。對(duì)于框架式結(jié)構(gòu)體系水池，它是靠框架兩側(cè)水池水壓來保持平衡的。當(dāng)然由于工業(yè)水池一般都是多格水池連在一起的，深淺不一，且還應(yīng)考慮哪幾個(gè)格有水哪幾格沒水的不利組合，故框架兩側(cè)會(huì)存在兩側(cè)不平衡的情況，此時(shí)設(shè)計(jì)應(yīng)加于考慮。個(gè)人認(rèn)為搞實(shí)際設(shè)計(jì)的只要把極端不利情況考慮清楚，而不要去拘泥一些理論上的多種工況。

框架式結(jié)構(gòu)體系水池的框架柱底端建議按固端計(jì)算，但此時(shí)地基若采用自然地基或復(fù)合地基時(shí)，框架柱底端應(yīng)加設(shè)下柱墩來保證框架柱底部固端；若為樁基礎(chǔ)應(yīng)保證樁承臺(tái)與柱的相對(duì)剛度。一般情況下柱墩和樁承臺(tái)的截面積大于柱截面積的3 倍以上，厚度不小于800mm，可以保證柱端嵌固?？蚣苤捻敹私ㄗh按鉸接計(jì)算，但應(yīng)保證頂部框架梁與框架柱節(jié)點(diǎn)的錨固措施。若為多層水池，框架柱按底部固端，頂部鉸接的多跨連續(xù)梁計(jì)算，中間與框架柱連接的框架梁應(yīng)考慮梁、柱節(jié)點(diǎn)處彎矩的平衡問題，特別注意梁頂面鋼筋的配置。池壁傳遞給框架柱的水平力，建議按《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》的矩形水池池壁邊梁內(nèi)力計(jì)算表取值計(jì)算，有條件的建議按有限元分析軟件計(jì)算，但目前計(jì)算水池的軟件較少，且有些軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否需要人工校核判斷，故做水池設(shè)計(jì)，特別是較復(fù)雜的水池結(jié)構(gòu)，不應(yīng)盲目相信軟件的計(jì)算結(jié)果。

框架式結(jié)構(gòu)體系水池的框柱頂端框架梁建議按偏拉計(jì)算，因?yàn)閭€(gè)人認(rèn)為按力的就近傳遞原則，頂端框架梁應(yīng)為下部鋼筋傳走大部分框架柱頂端的力。計(jì)算時(shí)簡化為梁下部鋼筋傳遞全部框架柱頂端的力，梁上部鋼筋按不小于下部鋼筋四分之一構(gòu)造配置，以作安全儲(chǔ)備，不考慮混凝土受拉承載力。另考慮混凝土受拉易開裂，建議梁箍筋通長加密配置。對(duì)于多層框架式結(jié)構(gòu)體系水池的中間框架梁按實(shí)際受力情況分析，同上亦建議梁箍筋通長加密配置。

框架式結(jié)構(gòu)體系水池的池壁按框架柱劃分的寬度與池壁高度比例，按單、雙向連續(xù)板計(jì)算。連續(xù)板端跨左、右支座建議分別按鉸接支座和固端支座計(jì)算，取二者包絡(luò)值，因?yàn)槎瞬恐ё欠駷楣潭巳Q于端部水平腋角和池壁水平鋼筋的錨固情況。這幾年本人做過的水池在施工過程中，水平腋角和池壁水平鋼筋的錨固情況都不容樂觀，施工單位因?yàn)樗揭附悄０迨┕ぢ闊卣咚揭附菦]做，輕者尺寸大小、鋼筋構(gòu)造尺寸不符合設(shè)計(jì)要求。另外，長池壁雖然劃分為多跨連續(xù)板，但是應(yīng)適當(dāng)考慮連續(xù)板受力變形所帶來的角隅彎矩，角隅彎矩的計(jì)算建議按《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》取值計(jì)算。

通過本人這十幾年的水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，按框架式結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)的水池，6 米左右的池深，300 厚的池壁基本能滿足所有尺寸規(guī)格的要求。而若6 米深的長池壁水池若采用懸臂式池壁，基本上要600 厚以上的池壁才能滿足強(qiáng)度及裂縫要求。故個(gè)人認(rèn)為有條件的情況下，應(yīng)盡量采用框架式結(jié)構(gòu)體系的水池，這樣不僅能大大的減少水泥水化熱和溫度應(yīng)力帶來不利的影響，而且在不影響安全的情況下，也能帶來不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效果。

2、水池底板厚度的取值

上面為何談及盡量選擇能減少水池池壁壁厚的結(jié)構(gòu)體系呢？因?yàn)槌乇诒诤竦拇笮≈苯佑绊懙降装灏搴竦拇笮?，參考工業(yè)建筑院的《水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》要求：底板板厚按池壁壁厚的1.2～1.5 倍取值?！端亟Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》提出這一點(diǎn)，主要是考慮池壁與底板節(jié)點(diǎn)彎矩的平衡，底板下部的保護(hù)層厚度一般來說會(huì)比池壁的保護(hù)層來得厚一些，為滿足彎矩平衡底板厚度就得做厚一點(diǎn)，另外從計(jì)算模型來說，池壁底部按嵌固端設(shè)計(jì)，也要求底板厚度大于池壁厚度。從實(shí)際施工的角度，如果底板滲漏就比較難以修補(bǔ)，所以也要求把底板做厚一點(diǎn)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中建議底板厚度大概為1.2～1.25 倍池壁厚度即可，做到1.5倍個(gè)人覺得意義不大的，除非是考慮配重抗浮，另外對(duì)于單體面積較大的水池來說，過厚的底板會(huì)加大水泥水化熱和溫度應(yīng)力帶來的不利影響。對(duì)于單體面積較大的水池且內(nèi)部分格較少的情況下，水池底板可以采用變厚的做法，具體可以參考《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，這樣不僅可以較少造價(jià)，也能減小水泥水化熱和溫度應(yīng)力帶來的不利影響。

另外底板厚度還得參照水池的基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)形式來取值，比如地基采用天然地基或復(fù)合地基的單層水池，底板厚度建議按《水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》的要求取值，即1.2～1.25 倍的池壁厚度。而對(duì)于采用獨(dú)立樁基承臺(tái)基礎(chǔ)的水池結(jié)構(gòu)，個(gè)人認(rèn)為最底層水池底板厚度沒必要按《水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》的要求取值，僅需比池壁厚度多加40～70mm 即可，因?yàn)榇藭r(shí)池壁下部的筏板肋梁可以很好的解決池壁鋼筋的錨固問題和池壁與底板節(jié)點(diǎn)彎矩傳遞與平衡問題，那比池壁厚度多加40～70mm 這個(gè)范圍如何取值呢？這就得參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010 第8.2.1 條，底板下部設(shè)有墊層則取40，無墊層則取70，對(duì)于底層為全地上水池則底板厚度可取同池壁厚度。另外，多層水池的二層及二層以上的水池底板厚度，取同池壁厚度即可，因?yàn)榇藭r(shí)各層水池的底板框架梁同樣可以很好的解決池壁鋼筋的錨固問題和池壁與底板節(jié)點(diǎn)彎矩傳遞與平衡問題。

3、水池的構(gòu)造要求

有做過水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本上都知道：水池計(jì)算主要是以裂縫寬度控制為主，《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中詳細(xì)規(guī)定了各種水處理構(gòu)筑物的裂縫寬度要求，其中工業(yè)上的污水處理構(gòu)筑物裂縫寬度要求0.2mm。由《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010 的第7.1.2 條可以知道裂縫寬度的大小和保護(hù)層厚度的大小成正比關(guān)系，故不建議水池池壁的保護(hù)層厚度按《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》的要求取50mm?！禤KPM 新天地》2004年第三期第6 頁，四川省建筑設(shè)計(jì)院胡允棒總工也認(rèn)為地下室外墻迎水面的混凝土保護(hù)層厚度不必取50mm。況且《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》GB50108-2008 中第4.1.7條第3 款規(guī)定已經(jīng)不是強(qiáng)制性條文，《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》GB50108-2008 中第1.0.2 條條文說明里也指明了這本規(guī)范的適用性，里面提及適用的地下工程一般是指有人員在里面活動(dòng)的地下工程，如醫(yī)院、商場、生產(chǎn)車間、隧道等?！督o水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50069-2002 中第6.1.3 條中有明確池壁最小保護(hù)層厚度為30mm，與污水接觸取35mm。工業(yè)建筑院的《水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》更為明確的指出池壁最小保護(hù)層厚度為30mm，與污水接觸取35mm，當(dāng)表面有水泥砂漿或涂料時(shí)可減少10mm，而水池的防水層一般都是要做的。由此可見，水池池壁的保護(hù)層厚度取30mm，與污水接觸取35mm 即可；底板保護(hù)層厚度參照《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50069-2002 中第6.1.3條上部取30mm，與污水接觸取35mm，下部有墊層時(shí)取40mm，無墊層時(shí)取70mm；梁、柱保護(hù)層厚度取35mm，與污水接觸取40mm。

伸縮縫的設(shè)置在《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50069-2002 中第6.2.1 條明確伸縮縫最大間距，露天的取20m，地下的或有保溫措施的取30m，主要是考慮溫度效應(yīng)。但由于伸縮縫施工比較困難，而且橡膠止水帶的耐久性比較差，往往會(huì)導(dǎo)致滲漏，所以設(shè)計(jì)人員大都不愿意設(shè)置伸縮縫。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)伸縮縫的設(shè)置及間距，我覺得要考慮三個(gè)因素：（1）地域的問題：北方的地區(qū)要求比較高，南方比較低，我做過的在閩南地區(qū)水池長在50米左右的，用后澆帶替代伸縮縫，使用期間沒有任何問題，但要注意后澆帶停留時(shí)間。如果是在北方地區(qū)，肯定是要被拉裂的。故伸縮縫的最大間距建議參照工業(yè)建筑院的《水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》來取值會(huì)比較合理，其明確有覆土地下水池取40m，頂面外露水池：嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)取20m；非嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)取30m。（2）埋深的問題：完全地上的水池比地下的明顯要求高的多。（3）可以考慮用后澆帶緩解溫度效應(yīng)，但要明白后澆帶不能替代伸縮縫。

個(gè)人覺得水池結(jié)構(gòu)計(jì)算固然重要，但更重要的是構(gòu)造措施，要從好幾個(gè)方面注意，才不至于出現(xiàn)安全問題。（1）《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50069-2002中第6.1.4 條明確了鋼筋混凝土墻的拐角與頂、底板的交接處，宜設(shè)置腋角，腋角尺寸的邊寬不應(yīng)小于150mm，并應(yīng)配置構(gòu)造鋼筋，鋼筋按墻或頂、底板截面內(nèi)的受力鋼筋的50%取值。個(gè)人建議腋角尺寸的邊寬同池壁厚度，且不小于150mm。（2）池壁水平鋼筋在拐角及池壁交接處的錨固長度要嚴(yán)格要求施工單位按規(guī)范執(zhí)行，特別注意的是錨固長度應(yīng)從池壁的內(nèi)側(cè)表面起算，在《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50069-2002 中第6.3.3條亦有明確。（3）對(duì)于敞口水池池頂一定要記得附加池壁頂面水平構(gòu)造筋。計(jì)算頂端自由的壁板時(shí)，可以清楚的看到在池壁頂面的水平彎矩往往比板中的水平彎矩來的大，故附加池壁頂面水平構(gòu)造筋是很必要的。詳細(xì)構(gòu)造要求可參照工業(yè)建筑院的《水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》。（4）對(duì)于帶蓋水池池頂?shù)呢Q向鋼筋宜錨入蓋板當(dāng)中，錨固長度亦從池壁的內(nèi)側(cè)表面起算。（5）轉(zhuǎn)角處附加鋼筋的伸出長度要求，對(duì)于雙向板建議取相鄰池壁水平較大凈跨長的四分之一及池壁凈高的四分之一兩者的最小值，且不小于500mm，長度亦從池壁的內(nèi)側(cè)表面起算；對(duì)于單向板建議取水池凈高的三分之一，且不小于1000mm。詳細(xì)的構(gòu)造要求可參照工業(yè)建筑院的《水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》和《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，水池各節(jié)點(diǎn)配筋構(gòu)造可參考下圖。（6）水平、豎向筋哪個(gè)布置在外側(cè)？應(yīng)根據(jù)受力情況來決定：當(dāng)豎向筋為主要受力筋時(shí)，豎向筋置于水平筋外側(cè)；當(dāng)水平筋為主要受力筋時(shí)，水平筋置于豎向筋外側(cè)。

4、水池基礎(chǔ)形式的選擇

不管是單層水池還是多層水池底層都是帶有底板的，這就為筏板基礎(chǔ)提供了非常有利的條件，即在地基承載力滿足要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇筏板基礎(chǔ)。其一，對(duì)于單層水池來說，自重帶來的基礎(chǔ)凈反力比較小，一般情況下水池構(gòu)造上的底板厚度就能滿足筏板基礎(chǔ)的受力要求，故從經(jīng)濟(jì)因素上應(yīng)優(yōu)先選用。其二，對(duì)于多層水池來說，基礎(chǔ)凈反力除了要考慮結(jié)構(gòu)本身自重外，還需考慮底層以上水池使用荷載帶來的基礎(chǔ)凈反力，所以多層水池的基礎(chǔ)凈反力還是比較大的。但在地基承載力滿足要求的情況下，仍建議優(yōu)先采用筏板基礎(chǔ)，因?yàn)榉ぐ寤A(chǔ)不僅構(gòu)造簡單、施工方便，而且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中不用考慮底層水池水壓帶來的荷載，相反這部分水壓在使用過程中還可以抵消部分基礎(chǔ)凈反力，這為正常使用安全提供了一份有效的保證。

當(dāng)然不可能所有的地基承載力都能滿足要求的，當(dāng)存在地基承載力無法滿足要求的情況下，不管單層或多層水池對(duì)于經(jīng)過地基處理后能滿足地基承載力要求的，個(gè)人建議優(yōu)先采用地基處理，不建議直接采用樁基礎(chǔ)。因?yàn)椴捎玫鼗幚砗蟮乃亟Y(jié)構(gòu)就可以直接采用筏板基礎(chǔ)，其優(yōu)點(diǎn)如上所述，這里就不在冗贅述訴；從經(jīng)濟(jì)角度來講，在上部荷載不是很大的情況下，采用地基處理方式一般來說要比樁基礎(chǔ)來得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。地基處理方法常用的有換填法、強(qiáng)夯法和復(fù)合地基，其中復(fù)合地基常用有碎石樁、水泥攪拌樁、旋噴樁、CFG 樁，更詳細(xì)的可以參考《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》。對(duì)于換填法個(gè)人建議應(yīng)用于淺層1～2米的換填，再深則不建議使用，因?yàn)檫^深的換填事后必然會(huì)給水池帶來沉降，這會(huì)影響水池的正常使用，強(qiáng)夯法也存在同樣的問題，故建議強(qiáng)夯深度不大于6 米。若處理深度大于6 米的建議采用復(fù)合地基，其實(shí)在造價(jià)相差不多的情況下，不管處理深度是大于6 米還是小于6 米的個(gè)人都更推薦復(fù)合地基，因?yàn)閺?fù)合地基可以更有效地減小處理后地基帶來的沉降問題，更直接地把附加力傳至深處的持力層，并且在經(jīng)濟(jì)上相比樁基更加便宜，實(shí)際工程上我也有做過類似的比較，基礎(chǔ)部分的費(fèi)用采用預(yù)制樁的樁基礎(chǔ)是采用水泥攪拌樁復(fù)合地基基礎(chǔ)的2 倍左右，由此可見采用復(fù)合地基的經(jīng)濟(jì)效果非同一般。當(dāng)然，對(duì)于采用樁基礎(chǔ)也不能一票否決，對(duì)于上部荷載較大或者層數(shù)較多的多層水池采用樁基礎(chǔ)還是非常必要的，因?yàn)闃痘芰ι细鼮榭煽浚貏e是對(duì)于持力層為花崗巖的樁基礎(chǔ)其沉降量是非常很小的，由此可見樁基的最大缺點(diǎn)在于其造價(jià)太高。

對(duì)于有抗浮要求的水池，在地基承載力滿足要求的情況下，建議優(yōu)先采用配重或抗浮錨桿來滿足抗浮需求。在地基承載力不滿足要求的情況下則應(yīng)視具體情況采取抗浮措施，在配重能滿足抗浮的條件下，建議優(yōu)先采用地基處理加配重來滿足承載力及抗浮需求；配重?zé)o法滿足抗浮的條件下，建議優(yōu)先采用樁基，為何這里會(huì)推薦樁基礎(chǔ)呢？因?yàn)樵谙蛏嫌锌垢⌒枨?，向下有承載力需求的情況下，樁基礎(chǔ)有很好的適用性，特別是擠土樁。

結(jié)語：

以上是對(duì)水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些理論知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步探討，雖然學(xué)術(shù)界對(duì)于框架式結(jié)構(gòu)體系水池尚未形成比較統(tǒng)一的理論知識(shí)，但在實(shí)踐和應(yīng)用效果中框架式結(jié)構(gòu)體系水池還是取得比較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果的。另外在對(duì)于具體的水池構(gòu)造措施各個(gè)文獻(xiàn)及規(guī)范還是比較統(tǒng)一的，同時(shí)只要我們平時(shí)設(shè)計(jì)和實(shí)踐多觀察、多比較、多思考，出現(xiàn)問題后多分析、多總結(jié)，結(jié)合多種預(yù)防處理措施，水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些安全隱患問題是完全可以避免的。