水池结构设计的方法
摘要：本文根据水池结构设计的特点和方法，首先对作用于水池上的荷载进行组合，然后进行内力计算，以求得满足水池结构要求的强度，同时考虑防腐、抗渗等特殊设计要求，以确保水池结构设计的技术规范和经济合理。作者以在施工中常接触到的钢筋混凝土矩形水池为例谈一谈水池的结构设计。
关键词：水池结构；设计
一、水池荷载和内力组合
（一）结构上的作用
1.结构自重标准值
水池结构自重按构件的实际尺寸计算，以结构构件体积乘以相应材料的容重，钢筋混凝土的容重为25kN/m3,无筋素混凝土的容重为23kN/m3。
2.竖直方向的土压力标准值
对于地下式水池作用于池顶板上的土压力以实际覆土厚度计算，当水池顶板长宽比>10 时，计算得出的土压力值再乘以压力系数1.2，覆土容重为18kN/m3。
3.侧向土压力的标准值
计算水池侧向土压力标准值时，对位于地下水位以上的水池部分受到的侧向土压力按郎肯主动土压力公式计算，对应土的容重取18kN/m3；地下水位以下的水池部分受到的土压力应有主动土压力和地下水静止状态下的水压力之和，对应土的容重为10kN/m3。
4.水池内的水压力
水池内的水压力按设计水位的静水压计算，水的容重为10KN/m3。
5.水池顶板的活荷载标准值
不上人水池顶板的活荷载标准值取0.7kN/m3，准永久值系数为0；上人水池顶板的荷载标准值取1.5kN/m3，准永久值系数取0.4。
6.施工机械设备的荷载
根据施工条件验算施工机械设备荷载，其标准值按机械设备使用重量采用，准永久值系数为0。
7.雪荷载标准值
当水池顶同时作用有活荷载和雪荷载时，应取二者较大的；
仅作用雪荷载时，只采用雪荷载计算标准值。
8.地下水对水池的作用标准值
地下水对水池作用的标准值，可按以下规定采用：
（1）水对水池各部分的水压力按静止状态下水压力计算。
（2）地下水的设计水位，依据地质勘察报告提供的数据采用，宜应根据近期内地下水位的变化和补给的趋势确定。
（3）根据对水池结构的不利效应确定水压力标准值的相应设计水位。
（4）地下水(包括上层滞水)对结构浮力的标准值，应按最高水位乘以浮托力折减系数确定。
9.温、湿度变化作用
水池的温度、湿度变化作用标准值Ftk，应符合以下规定：
（1）地下水池或设有保温设施的水池可不考虑温、湿度变化的作用。
（2）露在空气中的水池，池壁壁面的湿度当量温差按10℃取。
（3）温、湿度变化作用的准永久值系数应取1.0。
10.地面堆积荷载的标准值
荷载标准值取10kN/m3，其准永久系数可取0.5。
（二）池顶荷载
作用于水池顶板上的荷载可分为永久荷载和可变荷载，永久荷载包括顶板自重、防水层重、覆土重等，按实际作用情况确定；可变荷载包括活荷载和雪荷载，计算时二者不同时考虑，取二者中较大者，活荷载指人、车及堆放物引起的重力荷载，按实际考虑，一般计算时常取1.5kN/m3。
（三）池壁荷载
池壁荷载主要指水平上的水压力和土压力
1.水压力Pwk=rwHw
式中：rw为水的容重；Hw为设计水深，池顶下20cm~30cm，简化起见取净高。
2.土压力
（1）池壁顶端：Psk =r(Hs+H1)tg2(45°-.jpg)
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式中：r 为土的容重，Hs 为覆土厚，H1为顶板厚，θ为土的内摩擦角。
（2）池壁底端（按郎肯主动土压力理论计算）
无地下水时Psk2=r(Hs+H1+Hn′)tg2(45°-)
式中：Hn为池壁净高。
有地下水时Psk2=[r(Hs+H1+Hn- Hn′)+r′Hn′]tg2(45°- )
式中：Hn′为地下水位高，r′为地下水位以下填土重度。
（3）地面活荷载引起的侧压力附加
Pqk =qktg2(45°- )
（4）地下水压力在池壁底部的标准值Pw′=RwHw′。
3.各种侧压力组合
（1）当池底位于地下水位以上时，顶端外侧压力组合标准值为Pkl=Psk1+Pqk；
底端侧压力组合标准值为Pk2 =Psk2+Pqk。
（2）当池底位于地下水位以下时，底端侧压力组合标准值为
Pk2=Psk2+Pqk+Pwk′
（四）池底荷载与地基土反力
地基反力主要由以下几种荷载作用引起：
1.由池顶活荷载引起取qk=1.5kN/m2
2.由池顶覆土引起取qs（根据实际计算确定qs值）。
3.由池顶自重Gr 池壁自重Gw 及支柱自重Gc 引起，取单位面积自重和。
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（五）荷载组合
地下式水池设计中通常考虑以下3 种荷载组合：
1.池外无土，池内满水（回填前试水阶段）。
2.池外无土，池内无水（使用阶段水放空）。
3.池外无土，池内有水（使用满池时）。
二、水池的内力计算
水池的内力计算主要包括池壁、池底板和池顶板内力计算，本文着重讨论有盖矩形水池的内力计算，根据受力特点可将水池分为深水池、浅水池和双向板式水池。
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<0.5 时按深池计算；0.5≤≤2 时按双向板式水池计算；>2 时按浅池计算，按竖向单向计算，水平向角隅处应考虑角隅效应引起的水平向负弯矩。
（一）池壁计算（有顶盖矩形水池）
以浅池为例计算池壁内力，当池壁与池顶板线刚度之比>5时，可假设池壁顶端铰支、底端固定的三角形荷载。
1.水压力
两端剪力
任意点弯矩
，当x=0.447H 时，Mmax=0.0298PH2。
底端弯矩
2.土压力
此时池壁与底板、顶板可视为顶端铰支，底端固定的梯形荷载。
两端剪力
任意点弯矩
可求得当
底端弯矩
式中：
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3.角隅弯矩
水池池壁水平方向的中段所受的弯矩按竖向单向受力构件求得较符合实际，依此计算池壁两端的弯矩其结果偏大，原因是在池壁四角水平侧压力较大，产生的水平弯矩亦较大，这些水平弯矩在设计时以角隅弯矩考虑。
池壁在转角处的水平弯矩区，沿池壁高度的最大值Mc=mPH2
式中：P 为池壁侧向分布荷载最大值。
（二）顶盖与底板的计算
1.顶盖
水池的顶盖设计与楼盖设计相同，水池顶盖四边支撑于池壁上，按单跨板或多跨连续板计算。
（1）确定单双向板
当 
≥3 时可沿短跨方向受力的单向板设计；
当3> >2 时宜按双向板设计，如仍按单向板设计应加强短边支座的构造配筋；
当2≥>1 时，应按双向板设计。
（2）单向板肋梁顶板设计
①板的计算步骤：沿板的长边方向截取1m板宽作为计算单元→荷载计算→按塑性内力重分布法计算内力→配筋计算→选配钢筋。
②次梁设计
次梁的计算步骤:初选截面尺寸→荷载计算→按塑性内力重分布法计算内力→计算纵向钢筋→计算箍筋及弯起钢筋→确定构造钢筋。
③主梁设计
主梁的计算步骤：初选截面尺寸→荷载计算→按弹性理论计算内力→计算纵向钢筋→箍筋及弯起钢筋→确定构造钢筋。
（3）双向板肋梁顶盖设计（与单向板肋梁顶板设计相同）。
2.底板
（1）单向受力的底板，沿短向截取池底宽1m，按单跨板或多跨连续板计算。作用于板上的荷载为池盖、池壁、上部设备及活荷载等（ΣG），作用下的地基反力P=ΣG/A（A 为池底板面积），但应考虑池壁下端的弯矩作为力偶荷载作用于两端。底端所受轴力等于其两端池壁下端的剪力。
（2）双向受力的池底沿垂直于底板边沿两个方向（可标为x、y 向）截取池底各宽1m，分别按单跨板或多跨连续板计算且作用于池底上的荷载P0 沿x y 向分布为Px=Y P0 Py= (1- Y)P0,y 由双向板的计算系数查用，其他计算同单向板。
三、构造要求
（一）一般构造要求
配筋方式：池壁与池壁转角处、池壁与底板顶板连接处应配置≮Φ8@200 的构造筋，并在转角处设45°腋角，以增强连接处的抗裂性。
池壁底板的受力筋应采用间距较密直径较小的钢筋，当钢筋直径≤10mm时采用HPB325 级钢筋；当钢筋直径>10mm时，采用HRB325 级钢筋。
（二）伸缩缝的构造
伸缩缝上下贯通，确保两侧的温度区段具有充裕的伸缩余地，伸缩缝宽度为20~25mm，长度>30m。
（三）抗震构造要求
要保证整体性，取决于连接的可靠程度及结构本身的刚度和强度。连接筋配筋率加密区等措施。
四、结论
本文着重从荷载计算及内力组合、内力计算和构造措施3个方面，阐述了水池结构设计时应注意的细节问题。总之，只有选取合理的结构方案，假定边界条件时应尽量与实际情况相符合，并结合水池的结构特点，才能把水池设计的更加可靠和经济合理。
参考文献
[1] 赵铁军. 关于水池结构设计的探讨（J）. 中国新技术新产品，2010，( 9) .
[2] 廖莎. 给水排水工程结构[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2006.
[3] 郝素英. 钢筋混凝土水池设计计算手册[M] . 北京：中国建筑工业出版社，2007.
[4] 孙克钢. 筋混凝土特种结构[M] . 北京：河北工业大学土木工程学院建筑工程教研室4- 89
[5] 建筑结构荷载规范GB50009- 2001.
[6] 给水排水工程构筑物结构设计规范GB50069- 2002.
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