水池結構設計的方法
摘要：本文根據水池結構設計的特點和方法，首先對作用于水池上的荷載進行組合，然后進行內力計算，以求得滿足水池結構要求的強度，同時考慮防腐、抗滲等特殊設計要求，以確保水池結構設計的技術規范和經濟合理。作者以在施工中常接觸到的鋼筋混凝土矩形水池為例談一談水池的結構設計。
關鍵詞：水池結構；設計
一、水池荷載和內力組合
（一）結構上的作用
1.結構自重標準值
水池結構自重按構件的實際尺寸計算，以結構構件體積乘以相應材料的容重，鋼筋混凝土的容重為25kN/m3,無筋素混凝土的容重為23kN/m3。
2.豎直方向的土壓力標準值
對于地下式水池作用于池頂板上的土壓力以實際覆土厚度計算，當水池頂板長寬比>10 時，計算得出的土壓力值再乘以壓力系數1.2，覆土容重為18kN/m3。
3.側向土壓力的標準值
計算水池側向土壓力標準值時，對位于地下水位以上的水池部分受到的側向土壓力按郎肯主動土壓力公式計算，對應土的容重取18kN/m3；地下水位以下的水池部分受到的土壓力應有主動土壓力和地下水靜止狀態下的水壓力之和，對應土的容重為10kN/m3。
4.水池內的水壓力
水池內的水壓力按設計水位的靜水壓計算，水的容重為10KN/m3。
5.水池頂板的活荷載標準值
不上人水池頂板的活荷載標準值取0.7kN/m3，準永久值系數為0；上人水池頂板的荷載標準值取1.5kN/m3，準永久值系數取0.4。
6.施工機械設備的荷載
根據施工條件驗算施工機械設備荷載，其標準值按機械設備使用重量采用，準永久值系數為0。
7.雪荷載標準值
當水池頂同時作用有活荷載和雪荷載時，應取二者較大的；
僅作用雪荷載時，只采用雪荷載計算標準值。
8.地下水對水池的作用標準值
地下水對水池作用的標準值，可按以下規定采用：
（1）水對水池各部分的水壓力按靜止狀態下水壓力計算。
（2）地下水的設計水位，依據地質勘察報告提供的數據采用，宜應根據近期內地下水位的變化和補給的趨勢確定。
（3）根據對水池結構的不利效應確定水壓力標準值的相應設計水位。
（4）地下水(包括上層滯水)對結構浮力的標準值，應按最高水位乘以浮托力折減系數確定。
9.溫、濕度變化作用
水池的溫度、濕度變化作用標準值Ftk，應符合以下規定：
（1）地下水池或設有保溫設施的水池可不考慮溫、濕度變化的作用。
（2）露在空氣中的水池，池壁壁面的濕度當量溫差按10℃取。
（3）溫、濕度變化作用的準永久值系數應取1.0。
10.地面堆積荷載的標準值
荷載標準值取10kN/m3，其準永久系數可取0.5。
（二）池頂荷載
作用于水池頂板上的荷載可分為永久荷載和可變荷載，永久荷載包括頂板自重、防水層重、覆土重等，按實際作用情況確定；可變荷載包括活荷載和雪荷載，計算時二者不同時考慮，取二者中較大者，活荷載指人、車及堆放物引起的重力荷載，按實際考慮，一般計算時常取1.5kN/m3。
（三）池壁荷載
池壁荷載主要指水平上的水壓力和土壓力
1.水壓力Pwk=rwHw
式中：rw為水的容重；Hw為設計水深，池頂下20cm~30cm，簡化起見取凈高。
2.土壓力
（1）池壁頂端：Psk =r(Hs+H1)tg2(45°-.jpg)
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式中：r 為土的容重，Hs 為覆土厚，H1為頂板厚，θ為土的內摩擦角。
（2）池壁底端（按郎肯主動土壓力理論計算）
無地下水時Psk2=r(Hs+H1+Hn′)tg2(45°-)
式中：Hn為池壁凈高。
有地下水時Psk2=[r(Hs+H1+Hn- Hn′)+r′Hn′]tg2(45°- )
式中：Hn′為地下水位高，r′為地下水位以下填土重度。
（3）地面活荷載引起的側壓力附加
Pqk =qktg2(45°- )
（4）地下水壓力在池壁底部的標準值Pw′=RwHw′。
3.各種側壓力組合
（1）當池底位于地下水位以上時，頂端外側壓力組合標準值為Pkl=Psk1+Pqk；
底端側壓力組合標準值為Pk2 =Psk2+Pqk。
（2）當池底位于地下水位以下時，底端側壓力組合標準值為
Pk2=Psk2+Pqk+Pwk′
（四）池底荷載與地基土反力
地基反力主要由以下幾種荷載作用引起：
1.由池頂活荷載引起取qk=1.5kN/m2
2.由池頂覆土引起取qs（根據實際計算確定qs值）。
3.由池頂自重Gr 池壁自重Gw 及支柱自重Gc 引起，取單位面積自重和。
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（五）荷載組合
地下式水池設計中通常考慮以下3 種荷載組合：
1.池外無土，池內滿水（回填前試水階段）。
2.池外無土，池內無水（使用階段水放空）。
3.池外無土，池內有水（使用滿池時）。
二、水池的內力計算
水池的內力計算主要包括池壁、池底板和池頂板內力計算，本文著重討論有蓋矩形水池的內力計算，根據受力特點可將水池分為深水池、淺水池和雙向板式水池。
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<0.5 時按深池計算；0.5≤≤2 時按雙向板式水池計算；>2 時按淺池計算，按豎向單向計算，水平向角隅處應考慮角隅效應引起的水平向負彎矩。
（一）池壁計算（有頂蓋矩形水池）
以淺池為例計算池壁內力，當池壁與池頂板線剛度之比>5時，可假設池壁頂端鉸支、底端固定的三角形荷載。
1.水壓力
兩端剪力
任意點彎矩
，當x=0.447H 時，Mmax=0.0298PH2。
底端彎矩
2.土壓力
此時池壁與底板、頂板可視為頂端鉸支，底端固定的梯形荷載。
兩端剪力
任意點彎矩
可求得當
底端彎矩
式中：
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3.角隅彎矩
水池池壁水平方向的中段所受的彎矩按豎向單向受力構件求得較符合實際，依此計算池壁兩端的彎矩其結果偏大，原因是在池壁四角水平側壓力較大，產生的水平彎矩亦較大，這些水平彎矩在設計時以角隅彎矩考慮。
池壁在轉角處的水平彎矩區，沿池壁高度的最大值Mc=mPH2
式中：P 為池壁側向分布荷載最大值。
（二）頂蓋與底板的計算
1.頂蓋
水池的頂蓋設計與樓蓋設計相同，水池頂蓋四邊支撐于池壁上，按單跨板或多跨連續板計算。
（1）確定單雙向板
當 
≥3 時可沿短跨方向受力的單向板設計；
當3> >2 時宜按雙向板設計，如仍按單向板設計應加強短邊支座的構造配筋；
當2≥>1 時，應按雙向板設計。
（2）單向板肋梁頂板設計
①板的計算步驟：沿板的長邊方向截取1m板寬作為計算單元→荷載計算→按塑性內力重分布法計算內力→配筋計算→選配鋼筋。
②次梁設計
次梁的計算步驟:初選截面尺寸→荷載計算→按塑性內力重分布法計算內力→計算縱向鋼筋→計算箍筋及彎起鋼筋→確定構造鋼筋。
③主梁設計
主梁的計算步驟：初選截面尺寸→荷載計算→按彈性理論計算內力→計算縱向鋼筋→箍筋及彎起鋼筋→確定構造鋼筋。
（3）雙向板肋梁頂蓋設計（與單向板肋梁頂板設計相同）。
2.底板
（1）單向受力的底板，沿短向截取池底寬1m，按單跨板或多跨連續板計算。作用于板上的荷載為池蓋、池壁、上部設備及活荷載等（ΣG），作用下的地基反力P=ΣG/A（A 為池底板面積），但應考慮池壁下端的彎矩作為力偶荷載作用于兩端。底端所受軸力等于其兩端池壁下端的剪力。
（2）雙向受力的池底沿垂直于底板邊沿兩個方向（可標為x、y 向）截取池底各寬1m，分別按單跨板或多跨連續板計算且作用于池底上的荷載P0 沿x y 向分布為Px=Y P0 Py= (1- Y)P0,y 由雙向板的計算系數查用，其他計算同單向板。
三、構造要求
（一）一般構造要求
配筋方式：池壁與池壁轉角處、池壁與底板頂板連接處應配置≮Φ8@200 的構造筋，并在轉角處設45°腋角，以增強連接處的抗裂性。
池壁底板的受力筋應采用間距較密直徑較小的鋼筋，當鋼筋直徑≤10mm時采用HPB325 級鋼筋；當鋼筋直徑>10mm時，采用HRB325 級鋼筋。
（二）伸縮縫的構造
伸縮縫上下貫通，確保兩側的溫度區段具有充裕的伸縮余地，伸縮縫寬度為20~25mm，長度>30m。
（三）抗震構造要求
要保證整體性，取決于連接的可靠程度及結構本身的剛度和強度。連接筋配筋率加密區等措施。
四、結論
本文著重從荷載計算及內力組合、內力計算和構造措施3個方面，闡述了水池結構設計時應注意的細節問題。總之，只有選取合理的結構方案，假定邊界條件時應盡量與實際情況相符合，并結合水池的結構特點，才能把水池設計的更加可靠和經濟合理。
參考文獻
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[6] 給水排水工程構筑物結構設計規范GB50069- 2002.
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