地下式水池结构计算及构造要点

【关键词】地下水池；结构计算；水池荷载；水池构造 

　　一、地下水池荷载的计算及内力组合分析 

　　作为特种结构，地下钢筋混凝土矩形水池被广泛应用于工业与民用建筑的配套工程中。池壁、底板和顶盖这三个部分是构成地下钢筋混凝土水池（以下简称水池）的主要结构。 

　　1、水池荷载的计算及内力组合 

　　1.1 水池荷载的分类及选用 

　　1.1.1 池顶荷载 对于封闭式地下水池，作用于池顶板上的竖向荷载主要有：顶板自重、覆土及保温重、雪荷载、绿化种植和活荷载。在荷载组合时一般活荷载比雪荷载大，有时还要按地面堆载考虑。 

　　1.1.2 池壁荷载 作用在池壁上的荷载可分为池内水压力、池外土压力和地下水压力。池内水压是水池承受的主要荷载之一，在实际设计中，一般可按满池来计算水压。一是考虑工艺上实际运行时有可能超过原设计水位；二是一旦误操作而造成满池时可保证结构的强度满足要求，而不至于造成垮塌。对于地下式水池，主要是地下水和土对池壁的侧压力，由土产生的侧压力通常用朗肯主动土压力理论计算，土的各参数可按岩土勘察报告所提供的实际数值取用，但在初步设计或缺乏资料时，土的内摩擦角可暂取30°（对于淤泥土层不适用），土的重度可取18kN/m3（位于地下水位以下的土体采用浮重度，按10kN/m3取用）；此外，地面还需考虑堆载影响，无资料时地面堆载可按10KN/m2考虑。 

　　1.2 荷载组合 地下水池设计中一般考虑三种工况：第一种工况为池内有水而池外土还没有回填；第二种工况为池内无水而池外有土，此时需要考虑地面堆积荷载和池外地下水压力的共同作用；第三种工况为池内有水、池外有土共同作用的情况。 

　　2、水池内力计算 水池的内力计算主要包括顶板、池壁和底板内力计算。顶板计算可利用PKPM软件按楼板进行建模计算；池壁按不同边界条件简化为单向板或者双向板计算；底板则简化为地基反力作用下的倒楼盖进行建模近似计算。 

　　2.1 池壁的边界条件假定和内力计算 

　　2.1.1 池壁的边界条件假定：池壁与顶板的连接情况，池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边铰接（或弹性支承）的板。当池壁与顶板整体连接，且池壁与顶板配置抗剪钢筋时，可假设池壁顶端为铰支承；当池壁与顶板整体浇筑且配置连接钢筋时，该节点应视为弹性固定（此情况施工时难以实现），一般按第一种节点进行处理。池壁底部视为与底板固结时须确保底板刚度要大于池壁，底板厚度一般大于壁板厚度的1.2倍。 

　　2.2 底板内力计算 

　　2.2.1 地基反力的理解 这里先明确一个概念“地基净反力”：水池最终通过底板作用将整个池体荷载传给地基，不考虑池底板的荷载作用（与地基反力抵消），作用于底板上的主动力包含壁板及顶板自重、顶板覆土重和承受的活荷载，此时的荷载组合后假定均匀作用于地基土，由此部分力反作用在底板上的方称之为“地基净反力”，该地基净反力可认为直接作用在底板上的均布荷载。 

　　2.2.2 底板内力计算的常用方法 水池底板结构计算，常采用静力平衡法或考虑池底与地基相互作用的内力分析方法来计算水池底板内力。当使用静力平衡法计算时，假定地基反力按线性分布，只要求满足静力平衡条件，忽略变形协调条件，所以计算结果是相当近似的，此法适用于计算池型小、容积小的小型水池，是一种适宜手工计算的简便方法。但多格水池底板计算时手算较繁琐，可借用计算机进行简化计算，当地基满足承载力要求时，将水池底板简化为倒楼盖模型，进行如PKPM软件建模计算，在底板配筋时，要考虑由于多格水池池壁间距不同会产生的应力集中问题。在底板配筋中，由于池壁厚度一般小于底板，底板刚度要强于池壁，在计算出底板配筋时，池壁支座处负筋计算面积较大，要注意底板与池壁相交处的刚度及配筋差异，一般池壁根部弯矩较大，池壁竖向加筋可按照图一进行设置，既能满足受力要求，又便于施工。增设竖筋和通长竖筋间隔布置，其长度以实际受力计算确定。 

　　二、地下水池抗浮设计 

　　1. 浮力的合理计算 

　　浮力的计算原理 

　　基本原理是根据阿基米德定律：浮力等于它所排开水体体积的重量，即：p =ρgv/A=rw v/A=γw h 

　　式中p——单位面积水浮力；A ——物体底面积；γw ——水容重；h———物体在水中的高度。考虑到池体空池检修的工况，在实际工程中设计抗浮水位按地勘报告给出的抗浮水位取用。 

　　2. 水池的抗浮验算 

　　2.1 池顶荷载 

　　池顶荷载仅考虑恒荷载，恒荷载包括覆土重、防水层重和结构自重。整体式水池的防水层重量较小，可略去不计。池顶覆土的主要作用是保温和抗浮，另外还可以达到种植绿化的要求。 

　　2.2 池底荷载 

　　池底所受的荷载有池底结构自重及地下水向上的反作用力。 

　　2.3 水池的抗浮计算 

　　地下水池产生的上浮的原因是结构自重和地下水池侧壁磨擦力之和小于水浮力。地下结构所受的地下水浮力总和为作用在基础板上的静水压强与底板面积的乘积， 

　　即水浮力：P=p×A ，式中P—基底所受的水浮力； p—作用在底板上的静水压强；A—底板面积。基底静水压强p一般按以下式确定； 

　　p=γw × H，式中γw水的密度；H—抗浮设计水头值。 

　　2.4 水池的总体抗浮按下式计算： 

　　（水池总自重+池顶覆土重）/总浮力≥1.05 

　　总浮力=A× （H +h1）*γw 

　　式中A—水池底面积，必须算至最外周边 　　

        H —地下水位至底板面层的厚度； 

　　h1—底板厚度； 

　　γw水密度，取10kN/m3。 

　　由以上代入可得，抗浮稳定性验算式为： 

　　W/（γw×H×A ）≥1.05 

　　式中：W—基底以上全部抗浮荷载，KN； 

　　A—水池底面积，m2； 

　　H—抗浮设计水头值，m； 

　　γw—水的密度，取10kN/m3。 

　　当水池整体抗浮不满足时，封闭水池可用增覆土厚度的办法来解决，也可采用加大底板飞边的方式加大池体自重进行抗浮。当场地受到限制或以上两种方式不能满足抗浮要求时可采用锚杆、锚桩抗浮，锚桩一般选用抗拔性能好的钻孔灌注桩。 

　　三、池体的构造措施

        水池实际是空间结构体系，其各构件之间的约束十分复杂，除了通过计算保证水池满足强度、稳定和裂缝宽度的要求外，还必须重视构造措施，增加结构的整体刚度，增强其防水、抗渗和抗冻的性能。在设计中可采用以下措施：①加强混凝土的振捣，保证混凝土的密实性，提高混凝土面的光洁度，避免出现蜂窝、麻面等；池壁和底板的厚度应不小于200mm。②池壁和底板的受力钢筋应采用小直径钢筋和较密的间距，对于直径不大于10的钢筋可采用HPB235级钢筋，对于直径不小于12的钢筋采用HRB335级钢筋（因池体一般均为裂缝控制，所以一般不采用HRB400钢筋）。③为加强池壁与池壁、池壁与底板的刚性连接，减小应力集中，提高连接处的抗裂性，连接转角处应设45度腋角，并在腋角内配附加钢筋，附加筋直径同池壁水平筋，间距为水平筋的两倍间距。④采用合理的结构布置和围护措施，在水池内外表面抹防水砂浆面层，以减小温湿度对结构的影响。⑤在水池四周设散水坡，防止地面水渗入引起地基不均匀沉降。⑥现浇钢筋混凝土水池池壁拐角处的钢筋，应有足够长度锚入相邻池壁内，锚固长度应自池壁的内侧算起。其最小锚固长度，应按《混凝土结构设计规范》GB 50010—20 10 的规定采用。⑦水池伸缩缝或沉降缝的防水构造应由止水带、填缝板和嵌缝材料组成。止水带到构件混凝土表面的距离不应小于止水带埋入混凝土内的长度。当构件较薄时，可在伸缩缝位置局部加厚。 

　　四、结语 

　　本文分别在荷载计算、工况组合、内力计算、抗浮验算和构造措施四个方面简要进行了讲述。并介绍了水池结构设计时应该注意的细节问题。只有选取了合理的结构设计方案，计算采用的边界条件与实际情况相符合，并采用正确的结构计算简图和计算公式，结合水池的构造特点，才能把钢筋混凝土水池设计得更加安全与经济。