[12-11 17:00:56] 来源：http://www.tmgc8.com 工程设计 阅读：3399次
本文结合工程实例，分析介绍了工业污水处理厂矩形调节池结构设计方案，并在不同设计方案侧壁和底板内力验算分析比较的基础上，对水池结构设计具体构造措施进行了详细探讨，并对设计效采进行了分析评价和总结。
关键词：铜筋混凝土；矩型水池；结构设计；内力验算；荷载
1引言
大型现浇钢筋混凝土水池一般分为圆形和矩形，实际应应用中二者各有优势。而矩型水池实际是空间结构体系，其自身约束和外界条件的约束都十分复杂。因此，在结构的处理土应注意结构方案的选择原则，应在满足工艺要求的前提下，做到布局合理，受力明确，以及安令、经济和实用。
水池场地应选在地基稳定、地质均匀的地区，结构选型不宜过大，平面而尺寸尽量控制在不需没变形缝的间距范闱内。水池高度不宜超过6m，水池内力计算时边界条件的假定应尽量与实际情况相符合只有选取合理的结构力案，结合钢筋混凝土特种结构的构造特点才能把水池结构工程设计得更加可靠和经济。
2 工程概况
某工业污水处理厂工程设计规模5万m3／d,占地约50000多m2，污水处理厂工艺流程为车间出水送至污水处理厂，经筛网滤池、混凝沉淀池、调节池、厌氧池、好氧池、二沉池最后由消毒池送出。其中集水池、混凝沉淀池、调节池、厌氧池、好氧池为钢筋混凝土水池，考虑到场地和荷载影响，采用方格式布置，水池高(H)在6?m，调节池尺寸为27×14.1×6×4(个)。
3 水池结构方案分析
水池属于钢筋混凝土特种结构，它由各种类型的梁、板、柱等单元构件组成，结构型式和荷载条件比较复杂。
以上述调节池为例，池高H=6m,侧壁Ll=27m,端壁L2=14.1m。根据实际使用情况确定最不利的荷载组合为间隔储水组合有下列两种：
试水阶段：结构自重 池内满水压力
使用阶段：结构自重 池内满水压力 温度荷载
其中，本工程地下水位埋深较深，常年水位在池底板以下且较为稳定，可不考虑地下水的影响。池底板埋入地下不考虑温度荷载的作用，温度荷载应取较大的温差计算。
钢筋混凝土矩形水池是空间结构，其结构形式、几何尺寸及连接构造影响着内力计算方法。在侧向荷载作用下，池壁的计算通常根据池壁的高宽比来分类。池壁顶端无约束为自由端，池壁与底板的连接为固定支承。
4 内力计算
4.1 池壁侧壁的内力计算
在池壁侧壁(L1)的计算中做了两种方案的比较。
4.1.1按悬壁挡水墙考虑
因L1／H=27／6=4.5>3，依据CECS138：2002表6.1.2.侧壁在水平荷载作用下，壁板可视为竖向单向板，荷载几乎全部沿垂直方向传递，侧壁由于与底板固定而产生的弯距影响加大，侧壁可按竖向单向受力计算，即悬壁挡水墙计算。
但在角隅处因相邻池壁约束的影响仍属双向受力，其水平向角隅处存在局部负弯矩，依据CECS138：2002公式6.1.3计算：
Mcx=mcqH2
式中：Mcx——池壁沿高度1m截面，池壁水平向角隅处的局部负弯矩,KN·m；
mc——角隅处最大水平向弯矩系数，查CECS138：2002表6.1.3。me=-0.104；
(广三角形荷载的最大值，q=1.2×10×6×1=72KN／m；
H——池壁高度，m。
Mcx=-O.104×72×62=-270KN·m，查《钢筋混凝土水池设计计算手册》表2-9，选用φ16@100时，受弯承载力M=322.49KN·m>270KN·m，满足要求。
此钢筋要弯入相邻池壁1／4H的水平距离，由于角隅处有水平弯矩的存在，侧端附近竖向弯矩将减少，故可将1／4H水平范围内的竖向钢筋减少一半，但不少于构造钢筋要求。侧壁的内力及强度计算如下：
计算单元的选取：沿壁板坚向取1m板带，按悬壁板计算：
1)荷载计算(水侧压力)：q=1.2γH=1.2×10×6×1=72KN／m(γ-水的比重，IOKN／m3)；
2)内力计算(弯矩以池壁外侧受拉为正)：水侧压力作用下的池壁底端基本组合弯矩M=-1／6qH2=-1／6×72×6=-432KN·m：
水侧压力作用下的池壁底端标准组合弯矩Mk=-M／1.2=-360KN·m：
3)截面计算：竖向受力钢筋按控制裂缝宽度8f=0.2mm计算，查《钢筋混凝土水池设计计算手册》表2-9得到底部单侧最大受力配筋为：采用C25混凝土，抗渗等级S6，Ⅱ级钢筋，壁板厚h=(1，10)H=600mm，配筋为φ22@100,Mf=366.68KN·m>360KN·m,M=583.96KN·m>432KN·mwww.tmgc8.com；满足；由《给水排水工程钢筋混凝土水池结掏设计规程》cECSl38：2002,第7.1.10条第2点，钢筋混凝土水池构件“截面厚度大于50cm时萁里、外侧均可按截面厚度50cm配置0.15％构造钢筋”，则池壁外侧竖向钢筋按构造配置φ12@150；池壁水平向钢筋(内、外侧)均按构造配置φ12@150。
4.1.2 按扶壁式挡水墙计算
在池壁外侧设置垂直向扶壁，利用池内工艺要求所设的小梁.使小梁通过导流墙与主要的池壁浇注在一起，这时小梁成为拉杆，一端拉在扶壁柱上，另一端拉在池壁的环梁上，扶壁间距根据工程的实际情况确定为4400mm。
扶壁式挡水墙与悬臂式相比，仅增加扶壁计算部分，底板与裂缝开展宽度的验算均与悬臂式挡水墙相同。在壁板计算时，由于扶壁的存在，计算方法不同内力及强度计算如下：
1)垂直壁板的计算：壁板是以扶壁为支座的一个连续板带。池高与扶壁间距之比<3，可看做三边固定、一边自由的双向板进行计算。
2)扶壁的计算：扶壁与底板、壁板、拉杆一起工作。顶端为自由支承时扶壁的计算：扶壁两侧为双向板，所以受荷面积呈梯形分布。因垂直壁板的荷载图形沿深度直线变化，故扶壁的荷载图形为二次曲线的不规划形状。由《给水排水工程结构设计手册》(第二版)公式3.2.2-9,3.2.2-10及3.2.2-11，查表3.2.2-2得：扶壁荷载最大值：
qmax=q(1-)L=72×(1-)=200.6kN·m
3)扶壁底端的弯矩：M=-QL3=0.2761×72×4.43=-1693.4KN·m
4)扶壁底端的剪力：Q=qL2=0.4626×72×4.42=644.8KN·m
考虑上部两层拉杆的作用，因底层拉杆接近扶壁底端，故不考虑它对扶壁的作用。
选拉杆截面尺寸为b×h=200mm×200mm，假定拉杆选配6根φ14钢筋测As=924mm2,N1=N2=300×924=277.2KN。N1、N2对扶壁底端产生的弯矩MN=277.2×(2.01 3.74)=1593.9KN·m。
考虑拉杆的作用后，扶壁底端的弯矩
M=-1693.4 1593.9=-99.5KN·m。因此综合考虑拉杆与扶壁的共
同作用，则需选取扶壁bxh=250mm×400nm，配筋(双排)共6φ22。
4.2 底板的内力及强度计算
1)底板的荷载：底板承受作用于底面的地基反力和上部结构传下来的垂直荷载。
2)计算原则：地基反力按直线分布考虑，即池底板可作均布荷载作用下倒置的矩形板计算；地基承载力除池壁下为条形基础外，一般可不验算；在地基反力作用下，池底一般可视为简支于池壁之上；池壁在侧压力作用下的底端弯矩，作为力矩荷载传递给底板。
3)底板的内力分析：整体式底板根据每格水池平面尺寸的长宽比确定为单向板。顺短跨方向截取池底宽1m，艘多跨连续板计算。
4.2.1池内有水的情况：
在计算近似地认为底板自重和池内水重直接通过底板传人地基，和土的反力直接平衡对底板不产生弯矩。
上部结构传下来的垂直荷载：=320KN
整体式底板面积：A：14.1×1=14.1m2
则上部荷载产生的地基反力：P==320／14.I=22.7KN／m2
按悬壁挡水墙考虑方案中M=432KN·m，考虑M、P的共同作用。选h=700mm,需配φ18@100；
扶壁式挡水墙方案中M=99.5KN·m，考虑M、P的共同作用，选h=350mm需配φ14@125；
4.2.2池内无水的情况：
池壁无侧向荷载作用，即底板不承受池壁底端弯矩，边跨中：-1／11×22.7×4.4252=-40.41KN*m
第一支座：1／11×22.7×5.252=57KN·m
中间跨中：-1／16×22.7×5.252=-39.1KN·m
则(底板厚350mra)上层计算配筋为耷14@200。经比较，取底板厚350mm,配筋双层双向φ14@125。
4.3 水池结构方案比较与确定
以上两种都可以在工程中应用，经优化比较可以看到按悬壁挡水墙考虑的壁板、底板的截面尺寸及配筋量都特别大，外观看起来也不美观。按扶壁式挡水墙方案与悬壁挡水墙相反，不仅在结构上受力明确.而且在节省投资、使用方便及美观等方面都优于悬壁挡水墙。
本水池是一填充式矩形斗底水池，即在平底矩形水池的底板上，采用C25毛石混凝土填料堆筑成为所需要的斗底斜面，并在表面有水泥砂浆抹面，为了满足工艺要求，考虑荷载的晟不利组合，在所填充的C25毛石混凝土填料里面加设了暗拉杆，以满足水池池壁的强度计算。
规范规定矩型水池伸缩缝的最大间距为20m，按规定池壁长27m应设置一道伸缩缝。但在截面配筋设计上结合结构、地基和材料性能.池壁水平向钢筋(里外层)采取了直径较细而间距较密的原则。通过对温度伸缩缝间距的计算(依据《防水混凝土及其应用》)，不留伸缩缝是允许的，底板与池壁，底板与柱应设置伸缩缝。www.tmgc8.com
5 水池设计构造措施
水池结构的设计计算，除满足强度、结构稳定和抗裂度或限制裂缝宽度计算外，还必须在构造上具有防水、抗渗和耐冻的能力，钢筋混凝土水池主要靠自身的密实性来增强其防水、抗渗和耐冻性能。针对这项工程，在设计方面采取了以下措施：
1)为了保证施工中捣制混凝土的质量，避免渗水，依据CECS138：2002,第7.1.1条，混凝土水池的受力壁板与底板厚度不小于200mm。
2)池底板采用整浇平板，其受力和抗渗性能都较好。
3)设置“暗梁”、“暗柱”。现浇钢筋混凝土“暗梁”，水池最易在池壁上部出现裂缝，依据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS138：2002第7.1.7条，“敞口水池顶端配置的水平向加强钢筋内外两侧各不应少于3根，间距不宜大于10cm,直径不应小于池壁受力钢筋，且不宜小于16mm”，称为“暗梁”，从而使易裂的薄弱部位含钢率增大，也增强了结构的抗裂性能。“暗柱”设在池壁交界的转角和丁字交接处及十字交叉处，配4根 16的竖向受力筋来加强水池的整体性，加强了薄弱部位，提高了抗裂性能。
4)配筋时宜优先采用Ⅱ级钢筋，如配筋率相同时，宜选用小直径和较密的间距，竖向钢筋宜采用 10以上，可增强钢筋骨架的刚度。水平钢筋不小于8，钢筋间距宜采用100mm-200mm。最小配筋率为0.2％，钢筋接头最好采用焊接，其搭接长度与受拉筋相同，在一个断面上接头不大于25％。
5)为保证池壁与池壁、池壁与底板的刚性连接，避免应力集中，一般设45°腋角，依据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECSl38：2002第7.1.8条，腋角边宽不宜小于150mm,腋角内配置斜筋直径与池壁受力筋相同间距宜为池壁受力筋间距的两倍。
6)采用合理的结构布置和围护措施，在水池内外表面抹水泥砂浆面层，以减少温湿度对结构的影响，并加强整体刚度及保温防寒措施。
该工程已竣工使用4年，调节池未出现开裂及渗漏现象，工程的整体质量取得了良好的效果，水池经盛水试验检测均无渗漏.一次性通过验收。
5 结语
综上所述，目前现浇钢筋混凝土温度应力的计算理论偏于近似范畴洛项计算数据也需要进一步积累和确定。同时在水池结构内力分析时，近似分解成为平面结构体系，由梁、板、柱等构件组成，截面设计也按分构件处理。因此，设计时更需要采取综合性措施，必须在连接节点的构造上，尽可能加强结构的整体刚度。
