浅谈地下水池的结构设计
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摘要:随着中国城镇化建设的步伐加快和居民生活水平的不断提高，为满足生态可持续发展以及环保的要求，对地下空间的合理利用已成为一种行之有效的方案。本文对地下水池荷载的组合、受力分析和抗浮设计等几方面进行结构设计分析，阐述了地下水池的结构设计要点，以提高水池设计的科学性和经济性。
关键词: 结构设计；受力分析；抗浮设计
一、地下水池荷载的计算及内力组合分析
地下钢筋混凝土矩形水池作为特种结构，被广范应用于工业与民用建筑的配套工程中。地下钢筋混凝土矩形水池(以下简称水池)池体结构一般由池壁、底板和顶盖所组成。
1 水池荷载的计算及内力组合
1.1 水池荷载分类及选用 1.1.1 池顶荷载 地下式水池一般均为封闭式，应考虑作用于池顶板上的竖向荷载主要有：顶板自重、覆土重、雪荷载和活荷载。在荷载组合时雪荷载和活荷载取较大者。 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安使用全。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，土的内摩擦角可取30°，土的重度可取18kN/m3（位于地下水位以下时采用浮重度，偏安全考虑取用10kN/m3）；此外，地面还需考虑有无堆载，有堆载时，按实际情况取值，无堆载时，地面活荷载可按1.5～2.0KN/m2考虑。 1.2 荷载组合 地下水池设计中一般考虑两种荷载组合即两种工况：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。
2 水池内力计算 水池的内力计算主要包括池壁内力计算和底板内力计算，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或双向板计算，底板则简化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确保底板厚度要大于池壁。 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传与地基，不考虑池内蓄水和均匀填充物作用（与地基承载力抵消），作用于底板上的主动力包含结构自重、顶板覆土重和承受的活荷载，底板自重不考虑，此时的荷载组合后假定均匀作用于地基土，称为“地基净反力”，该地基净反力在地下常态水位较低时可认为直接作用在底板上的均布荷载；当地下常态水位较高时，还需比较较高水位时的水作用力是否大于“地基净反力”。
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
所排开水体体积之重量，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。在实际工程中设计水位结合地质报告以及地形进行综合考虑，鉴于地下水池一般大开挖施工形成“水盆效应”，为提高经济效益，建议以当前地面以下0.5米为抗浮最高水位较为合理。
2 水池的抗浮验算
2.1 池顶荷载
池顶荷载包括恒荷载或活荷载，恒荷载为覆土重、防水层重和结构自重。整体式水池的
防水层其重量可略去不计。池顶覆土的作用是保温和抗浮。活荷载考虑的因素是上人、堆料及车载。
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现象的原因是结构自重和地下水池侧壁磨擦力之和小于水浮
力所引起。地下结构所受的地下水浮力，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)Y
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―基底以上全部净荷载，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，封闭水池可用增大覆土厚度的办法来解决，也可将底板挑出
池壁以外，在上面压土或块石以增大抗浮力，此时底板应以浮力作为均布荷载进行强度及抗裂计算；在地形受到限制而不能用上述两种方法时，可采用锚杆抗浮。
三、水池的构造措施 矩形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，除了通过计算来满足水池的强度、稳定和裂缝宽度要求外，要重视构造措施，加强结构的整体刚度，增强其防水、抗渗和耐冻性能。在设计中应采用以下措施：①为保证施工中捣制混凝土的质量，避免渗水，池壁和底板的厚度宜≥200mm。②池壁、底板的受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距，对于直径≤10的钢筋采用HPB235级钢筋，对于直径>12的钢筋采用HRB335级钢筋。③为保证池壁与池壁、池壁与底板为刚性连接，避免应力集中，增强连接处的抗裂性，连接转角处应设45度腋角，并在腋角内配附加筋10@200。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，并加强整体刚度及保温防寒。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或顶内，锚固长度应自池壁的内侧算起参考图二。其最小锚固长度，应按《混凝土结构设计规范》GB 50010―2002 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。止水带与构件混凝土表面的距离不宜小于止水带埋入混凝土内的长度。当构件厚度较小时，宜在缝的端部局部加厚。 四、结语 本文分别从荷载计算及内力组合、内力计算、抗浮验算和构造措施四个方面，谈了水池结构设计时应该注意的细节问题。因此，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，应用正确的结构计算简图和计算公式，并结合水池这种特种结构的构造特点，才能把钢筋混凝土矩形水池设计得更加可靠和经济。
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