浅析大型钢筋混凝土水池设计方法

关宇

（中国昆仑工程公司，北京 100037）

1 概述

随着社会经济的发展和生产规模的不短扩大，现在混凝土水池的尺寸和容量向越来越大的趋势发展。

按现行的《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002（以下简称规范）的要求，在室外露天的条件下每20m设置一道伸缩缝。常用做法是在伸缩缝之间设置橡胶止水带。这种方法应用在小尺寸的水池（如40m以内时），效果比较理想。但在大型水池中，由于尺寸非常大，需要纵横方向设置多条伸缩缝。把水池分成很多个独立的单元，这样会存在几个问题。（1）橡胶止水带因为材料特性原因容易老化，影响使用年限。（2）伸缩缝处普遍存在漏水和渗水问题。因为伸缩缝处节点构造复杂，混凝土浇筑时不容易浇实。一旦漏水会造成环境污染，甚至造成水池基础塌陷，产生较大变形，将底板拉坏。（3）抗震性能差。因为水池被分成多个单元，水池整体性比较差，在地震作用下伸缩缝处很容易撞坏或拉坏。

根据规范的要求，水池除需要进行承载能力极限状态下的强度验算外，在正常使用极限状态下，水池还需要进行正常使用极限状态下的裂缝验算。当池壁为双向板或池壁高度小于6m时，池壁的支座、跨中弯矩值都不是很大，此时水池的壁厚和配筋都不太大。普通钢筋混凝土结构形式一般均可满足强度和裂缝宽度限制的要求，相对经济合理。但有时为满足工艺的要求，水池的尺寸会很大。此时池壁的计算模型常常为单向板且池壁很高（大于7m）。计算后池壁所得弯距值很大。此时如仍然采用普通钢筋混凝土结构，在满足裂缝要求的情况下就会造成池壁很厚，配筋量也很大。

2 预应力技术在大型水池中应用

2.1 由于水池尺寸过长，设置伸缩缝又存在很多弊端。如不设置伸缩缝，混凝土产生的温度应力非常大，会造成池壁开裂。通过对池壁和池底施加预应力可以有效解决温度应力问题。此外，通过在池壁施加预应力还可以有效减少池壁厚度并有效控制裂缝。

2.2 下面以某污水处理厂中事故调节池为例，介绍如何应用有限元软件ANSYS计算水池应力，并对其进行预应力设计。工程概况：

调节池长96m，宽70m，池壁高度8.5m。为矩形多格有盖（池盖采用钢檩条上铺设玻璃钢瓦）水池。水池充水高度7.5m，池底板埋深1.2m。水池平面见图1。

图1 事故调节池底板平面布置图

2.2.1 计算模型

在水池池壁设置500×800和800×800扶壁柱（具体位置见图一），在池壁顶部设置300×800圈梁。因为事故池跨度为48米，故在池中中设置500×500框架柱，用来减少池顶板拉梁的计算长度。水池长期在水温80℃状态下工作。水池基础采用预应力混凝土管桩PHC 500 AB 100-26，底板厚度600mm,池壁厚度400mm,混凝土强度C40，钢筋采用HRB400。由于水池体型巨大，且充水水位较高，在使用荷载下较易出现裂缝，导致渗漏，为防止池壁、池底混凝土在水压力、水温度及混凝土收缩徐变作用下出现裂缝，在各矩形水池池壁、池底中均配置了无粘结预应力筋，在池顶拉梁中配置有粘结预应力筋。扶壁柱、拉梁、桩基础采用beam188单元，池壁采用shell63单元，桩基边界条件为桩端刚接，具体模型见图2。

图2 数值模拟计算模型

2.2.2 计算结果分析

（1）荷载工况

该调节水池池壁高8.5m，设计水位位于池壁7.5m高处，承受80℃水压力作用。水池各部位具体荷载作用如下：池壁：7.5m水压力作用，池壁底部压强为0.075Mpa；80℃温度作用；池底：0.075Mpa水压力；80℃温度作用；扶壁柱：80℃温度作用；主拉梁：自重作用和顶盖荷载；次拉梁：自重作用和顶盖荷载。

（2）计算结果分析

由于计算结果的通用性，本文选取A轴池壁进行分析。图3～图6所示为A轴池壁竖向变形、水平变形及水平应力、垂直应力分布图。

图3 A轴池壁竖向变形云图

图4 A轴池壁水平变形云图

图5 A轴池壁水平应力分布云图

图6 A轴池壁垂直应力分布云图

根据上述变形云图可知，A轴池壁的水平最大位移为4.75mm，出现在池壁中部位置；其竖向最大位移为2.71mm，出现在池壁的最上部。同时，由应力分布云图可知，A轴池壁水平应力最大值发生在长池壁与短池壁的交界位置处，其值为6.06MPa；最大垂直应力发生在A轴池壁与底板的交界处，其值为11.23MPa。

2.2.3 水池预应力设计

由于该水池容积大，一旦发生渗漏将产生非常大危害。因此，该水池采用一级抗裂等级。在设计时，采用的预应力为1860Mpa，ΦS15.2mm预应力钢绞线。预应力钢绞线控制应力取δcon=0.75 fptk，首先根据裂缝控制条件估算Npe，然后求得预应力筋根数，最后根据预应力度求得非预应力面积。预应力筋布置如图7所示。

池壁非预应力筋施工图如图8所示。

3 大型钢筋混凝土水池设计时经常采用的其他构造措施

3.1 设置后浇带

后浇带的施工工艺是在带两侧先浇筑混凝土，待两侧混凝土浇筑40～60d后采用比两侧强度高一级的混凝土进行带内浇筑来减少大体积或者超长结构混凝土裂缝产生的方法。后浇带存在一些缺点：一般设计要求后浇带的浇筑时间需待两侧结构混凝土浇筑后两个月，因此在很多工程中这样会影响总工期。后浇带在两侧混凝土浇筑后需要对其进行保护、清理与凿毛，给后期施工无形中增添了一定的工程量。由于有施工缝存在，在地下工程及其他有防水要求的地方，增加了渗漏隐患。

3.2 设置膨胀加强带

连续式膨胀加强带需要在带内和带外添加补偿收缩混凝土，有限制膨胀率的要求。连续浇筑方式就是带内和带外混凝土一起浇筑，两侧均不埋设止水钢板，因此工期大大缩短，浇筑完毕后没有施工缝。由于膨胀加强带的整个结构都需要添加膨胀剂，因此在材料价格方面会大于后浇带，（每吨外加剂的价格在1000-1600左右，一千方的混凝土大概需要添加30吨左右）。本工程采用的是连续式膨胀加强带做法，具体设置位置见图1。

结语

由于采用无粘结预应力技术，水池各构件尺寸均有一定程度的减少。和普通混凝土水池相比，池壁尺寸大约可以减小20-40%。普通钢筋使用量减少约20%-40%。虽然总造价略高于普通混凝土水池，但预应力水池取消了伸缩缝，使得水池整体性，耐久性、抗震性、抗渗性能得到很大提高。此外预应力水池由于取消了伸缩缝，使得施工周期大大缩减。随着无粘结预应力技术的不断发展，其造价也在不断的降低。加之上述的各项优点可以解决大型混凝土水池设计中采用普通混凝土结构不能解决的实际问题，越来越多的业主和工程师的青睐。

[1]陶学康.无粘结预应力混凝土设计与施工[M].北京：地震出版社.

[2]中国建筑科学研究院.JGJ92-2004.无粘结预应力混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社.

[3]中华人民共和国国家标准.GB50069-2002.给水排水工程构筑物结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社.

[4]中国工程建设标准化协会标准.CECS138-2002.给排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].北京：中国建筑工业出版社.