钢筋混凝土水池设计

1、3.10 3.10 钢筋混凝土水池设计钢筋混凝土水池设计 n水池的选型水池的选型 水处理用池水处理用池 贮水池贮水池 圆形圆形 矩形矩形 用途用途 平面平面 形状形状 n水池的结构水池的结构 池池 壁壁 顶顶 盖盖 底底 板板 1.水处理用池水处理用池，如沉淀池、滤池、曝气池等；该类型水池的容 量、形式和空间尺寸主要由工艺设计决定。 2.贮水池贮水池，如清水池，高位水池，调节池；该类型水池的容量、 标高和水深由工艺确定，而池型及尺寸则主要由结构的经济性 和场地、施工条件等因素来确定。 水池常用的平面 形状为圆形或矩 形，其池体结构 一般由池壁、顶 盖和底板三部分 组成。按照工艺 上需不需要封闭

2、， 又可分为有顶盖 （封闭水池）和 无顶盖（开敞水 池 ） 两 类 。 给水工程中 的贮水池多数有 顶盖（如图）， 而其他池子则多 不设顶盖。 预处理底板配筋预处理底板配筋 周进周出二沉池底部周进周出二沉池底部 二沉池布筋二沉池布筋 清水池布筋清水池布筋 水解池底布筋水解池底布筋 河南开封辅仁制药有限公司污水处理厂河南开封辅仁制药有限公司污水处理厂 改造工程二沉池（改造工程二沉池（5000 /m3d） 集水坑施工图集水坑施工图 12 清水池施工图清水池施工图 13 圆形水池施工图圆形水池施工图 14 15 16 1.1 贮水池容量、形状、水深等技术经济指标 贮水池容量在贮水池容量在3000m3

3、以内时，相同容量的圆以内时，相同容量的圆 形水池比矩形水池具有更好的技术经济指标形水池比矩形水池具有更好的技术经济指标。 圆形水池在池内水压力或池外土压力作用下，池圆形水池在池内水压力或池外土压力作用下，池 壁在环向处于轴心受拉或轴心受压状态，在竖向则壁在环向处于轴心受拉或轴心受压状态，在竖向则 处于受弯状态，受力均匀明确；而矩形水池的池壁处于受弯状态，受力均匀明确；而矩形水池的池壁 则为受弯为主的拉弯或压弯构件，当容量在则为受弯为主的拉弯或压弯构件，当容量在200m3 以上时，池壁的以上时，池壁的长高比长高比将超过将超过2而主要靠竖向受弯而主要靠竖向受弯 来传递侧压力，因此池壁厚度常比圆形水

4、池的大。来传递侧压力，因此池壁厚度常比圆形水池的大。 17 贮水池的设计水深一般为贮水池的设计水深一般为3.55.0m，故容量的增大主，故容量的增大主 要使水池平面尺寸增大要使水池平面尺寸增大。当水池容量超过。当水池容量超过3000m3时，圆形时，圆形 水池的直径将超过水池的直径将超过30m，水压力将使池壁产生过大的环拉，水压力将使池壁产生过大的环拉 力，此时除非对池壁施加环向预应力，否则将导致过厚的力，此时除非对池壁施加环向预应力，否则将导致过厚的 池壁而不经济。对大容量的矩形水池来说，壁厚取决于水池壁而不经济。对大容量的矩形水池来说，壁厚取决于水 深，当水深一定时，水池平面尺寸的扩大不会影

5、响池壁厚深，当水深一定时，水池平面尺寸的扩大不会影响池壁厚 度。度。故容量大于故容量大于3000m3的水池，矩形比圆形经济。的水池，矩形比圆形经济。 18 经济分析还表明，就每立方米容量的造价、水泥用量经济分析还表明，就每立方米容量的造价、水泥用量 和钢材等经济指标来说，当水池容量大约在和钢材等经济指标来说，当水池容量大约在3000m3以内时，以内时， 不论圆形或矩形池，上述各项经济指标都随容量增大而降不论圆形或矩形池，上述各项经济指标都随容量增大而降 低，当容量超过约低，当容量超过约3000m3时，矩形池的各项经济指标基本时，矩形池的各项经济指标基本 趋于稳定。趋于稳定。 19 1.2 贮水

6、池场地布置 矩形水池对场地地形的适应性较强，便于节 约用地及减少场地开挖的土方量，在山区狭长 地带建造水池以及在城市大型给水工程中，矩 形水池的这一优越性具有重要意义。 自上世纪80年代以来，随着水池容量向大型发展，用 地矛盾加剧，矩形水池更加受到重视。北京市水源九厂一 期工程的调节水池，采用平面尺寸255.9m90.9m、池高5m 的矩形水池，容量达10.7万m3。如果与采用多个万吨级预 应力圆形水池达到相同容量的方案相比，其节约用地和造 价的效果都是肯定的。 20 水池池壁根据内力大小及其分布情况，可以做成 等厚的或变厚的 1.3 水池池壁厚度 变厚池壁的厚度按直线变化，变化率以2%5%（

7、每 米高增厚20 50mm）为宜。 无顶盖水池壁厚的变化率可以适当加大，现浇整体 式钢筋混凝土圆水池容量在1000m3以下，可采用等厚池壁； 容量在1000m3及1000m3以上，用变厚池壁较经济，装配式 预应力混凝土圆形水池的池壁通常采用等厚度。 21 目前，国内除预应力原水池有采用装配式 池壁者外，一般钢筋混凝土水池都采用现浇整 体式池壁。 矩形水池的池壁绝大多数采用现浇整体式，矩形水池的池壁绝大多数采用现浇整体式， 有有少数工程采用装配整体式池壁。有有少数工程采用装配整体式池壁。 采用装配整体式池壁可以节约模板，使池采用装配整体式池壁可以节约模板，使池 壁生产工厂化和加快施工进度。缺点是

8、壁板壁生产工厂化和加快施工进度。缺点是壁板 接缝处水平钢筋焊接工作量大，二次混凝土接缝处水平钢筋焊接工作量大，二次混凝土 灌缝施工不便，连接部位施工质量难以保证，灌缝施工不便，连接部位施工质量难以保证， 因此，实际时应特别慎重。因此，实际时应特别慎重。 1.4 装配式和现浇整体式水池池壁装配式和现浇整体式水池池壁 22 按照建造在地面上下位置的不同，水池可以分为地下按照建造在地面上下位置的不同，水池可以分为地下 式、半地下式及地上式。式、半地下式及地上式。 1.5 地下式、半地下式及地上式水池地下式、半地下式及地上式水池 为了尽量缩小水池的温度变化幅度，降低温度变形的为了尽量缩小水池的温度变化

9、幅度，降低温度变形的 影响，水池应优先采用地下式或半地下式。影响，水池应优先采用地下式或半地下式。 对于有顶盖的水池，顶盖以上应覆土保温。对于有顶盖的水池，顶盖以上应覆土保温。 水池的底面标高应尽可能高于地下水位，以避免地下水池的底面标高应尽可能高于地下水位，以避免地下 水对水池的浮托作用，当必须建造在地下水位以下时，池水对水池的浮托作用，当必须建造在地下水位以下时，池 顶覆土又是一种最简便有效的抗浮措施。顶覆土又是一种最简便有效的抗浮措施。 23 贮水池的顶盖和底板大多采用平顶和平底。 工程实践表明，对有覆土的水池顶盖，整体式无梁 顶盖的造价和材料用量都比一般梁板体系为低。 装配式梁板结构的

10、优点是能够节约模板和加快工程进度， 但经济指标不如现浇整体式无梁楼盖。 从20世纪80年代以来，由于工具化钢模在混凝土工 程中应用越来越普遍，使现浇混凝土结构得以扬长避短， 在水池设计中优先采用全现浇混凝土结构已成为主流。 1.6 贮水池的顶盖和底板贮水池的顶盖和底板 24 当水池底板位于地下水位以下或地基较弱时，贮水 池的底板通常作成整体式反无梁底板。 当底板位于地下水位以上，且基土较坚实、持力层 承载力特征值不低于100kn/m2时，底板和池壁支柱基 础则可以分开考虑。此时池壁、支柱基础按独立基础 设计，底板的厚度和配筋均由构造确定，这种底板称 为分离式（或铺砌式）底板。 分离式底板可设置

11、分离缝，也可以不设置，后者在 外观上与整体式反无梁底板无异，但计算时不考虑底 板的作用，柱下基础及池壁基础均单独计算。有分离 缝时，分离缝处应有止水措施。 25 。 26 倒锥形和倒球壳组合池底的加速澄清池。倒锥形和倒球壳组合池底的加速澄清池。 27 圆形水池的顶盖和底板也可以采用球形或锥形薄壳结构，圆形水池的顶盖和底板也可以采用球形或锥形薄壳结构， 这类结构的特点是可以跨越很大的空间而不必设置中间支柱，这类结构的特点是可以跨越很大的空间而不必设置中间支柱， 由于壳体厚度可以做得很薄，在混凝土和钢材用量上往往比由于壳体厚度可以做得很薄，在混凝土和钢材用量上往往比 平面结构经济。缺点是模板制作费

12、费工费料，施工要求较高，平面结构经济。缺点是模板制作费费工费料，施工要求较高， 而且水池净高不必要地增大，当水池为地下式或半地下式时，而且水池净高不必要地增大，当水池为地下式或半地下式时， 土方开挖和池顶覆土的工作量也因此增大，为了克服后一缺土方开挖和池顶覆土的工作量也因此增大，为了克服后一缺 点，可以尽量压低池壁的高度，甚至完全不用直线形池壁而点，可以尽量压低池壁的高度，甚至完全不用直线形池壁而 由池顶和池底直接相接组成蚌壳式水池。由池顶和池底直接相接组成蚌壳式水池。 3.10.1 3.10.1 水池的荷载水池的荷载 1、水池荷载分类及选用 （1）池顶荷载 对于有顶盖的封闭式水池，应计算作用

13、于池顶对于有顶盖的封闭式水池，应计算作用于池顶 板上的竖向荷载，主要包括顶板自重、防水层重、板上的竖向荷载，主要包括顶板自重、防水层重、 覆土重、雪荷载和活荷载。覆土重、雪荷载和活荷载。 池顶、池底及池壁的各种荷 载必须分别进行计算 （2）池壁荷载 作用在池壁上的荷载可分为作用在池壁上的荷载可分为池内水压力池内水压力、池外、池外 土压力和地下水压力。土压力和地下水压力。 是水池承受的主是水池承受的主 要荷载之一，一要荷载之一，一 般偏安全地按满般偏安全地按满 池来计算水压。池来计算水压。 （3）温、湿度荷载 由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺要求由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺要求

14、以及季节变化等，造成池壁产生膨胀和收缩。当变形以及季节变化等，造成池壁产生膨胀和收缩。当变形 受到约束时，在池体中产生相应的受到约束时，在池体中产生相应的温度或湿度应力温度或湿度应力。 温度应力温度应力和和湿度应力湿度应力是导致混凝土池壁产生是导致混凝土池壁产生裂缝裂缝的主的主 要原因。要原因。 （4）池底荷载 池底板作用的荷载包括：池内水的池底板作用的荷载包括：池内水的自重自重荷载，水荷载，水 池顶板和壁板的池顶板和壁板的重力荷载重力荷载，底板顶面以上（包括挑出，底板顶面以上（包括挑出 部分）覆部分）覆土荷载土荷载及活荷载引起的及活荷载引起的基底反力基底反力。 2、荷载组合 水池设计中通常考

15、虑以下水池设计中通常考虑以下3 3种荷载组合：种荷载组合： 池内水压池内水压+ +自重自重( (对应工况为：池内有水，池外无土对应工况为：池内有水，池外无土) ) 池外土压池外土压+ +自重自重( (对应工况为：池内无水，池外有土对应工况为：池内无水，池外有土) ) 池内水压池内水压+ +自重自重+ +温、湿度荷载温、湿度荷载 3.10.2 3.10.2 水池设计的内力计算水池设计的内力计算 水池的内力计算主要包括水池的内力计算主要包括池壁内力计算池壁内力计算和和底板内底板内 力计算力计算。不同边界条件和地基反力模型的选取，对水。不同边界条件和地基反力模型的选取，对水 池的内力计算结果有很大的

16、影响池的内力计算结果有很大的影响 1 1、池壁的边界条件假定和内力计算、池壁的边界条件假定和内力计算 池壁的边界条件假定及应用：池壁的边界条件假定及应用： 开敞式水池池壁的边界条件可假定为开敞式水池池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边自由三边固接、顶边自由的的 板。板。 有顶盖的封闭式水池池壁，视其与顶板的连接情况，池壁的有顶盖的封闭式水池池壁，视其与顶板的连接情况，池壁的 边界条件可假定为边界条件可假定为三边固接、顶边铰接三边固接、顶边铰接( (或弹性支承或弹性支承) )的板。的板。 当池壁与顶板整体连接，且池壁线刚度为顶板线刚度的当池壁与顶板整体连接，且池壁线刚度为顶板线刚度的5 5 倍以

17、上时，可假设池壁顶端为铰接，否则为弹性支承。倍以上时，可假设池壁顶端为铰接，否则为弹性支承。 2 2、底板内力计算、底板内力计算 （1 1）地基反力的分布规律及底板内力计算的常用方地基反力的分布规律及底板内力计算的常用方 法，在地基反力作用下，池底可视为法，在地基反力作用下，池底可视为简支简支于池壁上，于池壁上， 池壁间距对池底反力分布有影响。池壁间距对池底反力分布有影响。 （2 2）当池壁间距小至使两邻池壁刚性角重叠时，变当池壁间距小至使两邻池壁刚性角重叠时，变 形与反力比较均匀，不计弯矩。当池壁间距增大，变形与反力比较均匀，不计弯矩。当池壁间距增大，变 形与反力的不均匀分布愈加显著，甚至可

18、能出现跨中形与反力的不均匀分布愈加显著，甚至可能出现跨中 反向挠曲引起与地基脱开现象，反力向池壁下集中，反向挠曲引起与地基脱开现象，反力向池壁下集中， 前者可以按地基反力为线性分布进行计算，而后者弯前者可以按地基反力为线性分布进行计算，而后者弯 矩的变化已不可忽视。矩的变化已不可忽视。 实际工程中，常采用实际工程中，常采用静力平衡法静力平衡法或考虑池底与地或考虑池底与地 基相互作用的基相互作用的内力分析方法内力分析方法来计算水池底板内力。当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，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，乎略变形协调条

19、件，所以只要求满足静力平衡条件，乎略变形协调条件，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。积小的小型水池，是一种适宜手工计算的简便方法。 当使用考虑池底与地基相互作用的内力分析方法时，当使用考虑池底与地基相互作用的内力分析方法时， 地基反力模型一般采用地基反力模型一般采用winklerwinkler弹性地基模型弹性地基模型。 3.10.3 3.10.3 水池设计的构造要求水池设计的构造要求 水池实际是空间结构体系，其自身约束和外界条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