低温建筑技术 ２０１０年第７期（总第１４５期） 某大型水泵试验用大型矩形水池设计 杨兴明 ，姚（１．浙江大学结构工程研究所，杭州谏 。卢哲刚 ３１００１５） ３１００２７；２．浙江树学城建学院。杭州【摘要】 通过介绍某电泵有限公司新建水泵试验工程的设计，试图从设计角度提出建造水池这类特种结 构的一些行之有效的策略，以保证水池的结构安全，降低水池的建造成本，简化水池的施工工艺。对钢筋混凝土 水池设计的关键步骤进行罗列，对应重点注意的地方给予说明，并提出了作者在设计过程中积累的经验及看法。 【关键词】钢筋混凝土水池；结构安全；施工工艺 【中图分类号】ＴＵ３７５ １ 工程概况 【文献标识码】Ｂ 【文章编号】ｌＯＯｌ一６８６４（２０１０）０７—００２８—０３ （１）池顶荷载：包括池顶活荷载ｑ 和顶盖自重。 （２） 池壁荷载：按以下各式进行计算…：池内底 面处最大水压力标准值Ｐ ＝７ ；池壁顶端土压力 本工程为某电泵有限公司新建水泵试验工程，其 水池工程的该水池位于厂房室内地下，地下水位标高 为一１１．５ｍ，土壤为粘土。水池顶盖与支柱按框架粱 柱现浇设计，标高与厂房地面平，上面用于水泵装配， 活荷载考虑２０ｋＮ／ｍ２。 水池基本参数：混凝土Ｃ２５，池顶盖厚１８０ｎｕｎ，池 壁厚３５０ｒａｍ，池底厚３５０ｒａｍ，支柱数量２４，支柱尺寸 ４００ Ｘ ４００。池底Ｃ１５混凝土垫层ｌＯＯｍｍ，水池底板外 伸３００ｒａｍ，地基承载力】５０ｋＮ／ｍ 。 ２设计计算 ２．１ 荷载 标准值Ｐ ＝ｙｈ ｔａｎ （４５。一 ／２）；池壁底部土压力标 准值Ｐ ＝ （ｈ。＋Ｈ ）ｔａｎ （４５。一 ／２）；地面活荷载引 起的池壁侧压力标准值为常数Ｐ ＝ｑｌｔａｎ （４５。一 ２）；池壁顶端侧压力组合值Ｐ ＝Ｐ ＋Ｐ 。；池壁底端 侧压力组合值Ｐ ＝Ｐ ＋Ｐ越。 以上各式中，ｙ 是水的重度，１０ｋＮ／ｍ ；，，是池外 回填土的重度，１８ｋＮ／ｍ ； 是池外回填土的内摩擦 角。无资料时取３Ｏ。。 作用在水池上的各种荷载，包括池顶荷载、顶盖自 重、池壁外部侧压力、池壁内部水的侧压力、池盖支柱 重量、池底水压力、地基反力、地下水浮力，以及温度变 化产生的附加应力。 （３） 池底荷载：水池在抗浮设计时，仅考虑整个 水池混凝土结构的自重（包括池盖、池壁、池底、支 柱）。计算水池地基承载力时，除了考虑水池结构自 重外，还须再加上水池蓄满水时水的重量。 下部结构的侧向刚度比均满足设计规范的前提下，进 缩混凝土，加设膨胀加强带，以减小混凝土过长而引起 的收缩应力。 行优化设计比较确定最终设计方案。 表３ 结构层间位移比 （３） 框支梁为拉、弯、剪构件；框支剪力墙转换 层上的墙体有拱效应；框支转换层楼板传递水平力，协 助框支梁受拉。 参考文献 【１］ 李国胜．多高层钢筋混凝土结构设计中疑难问题的处理及算 例［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５． ［２ Ｊ ＪＧＪ ３—２００２，高层建筑结构混凝土结构技术规程［ｓ］． ｆ３］ＧＢ ５０００７—２００２，建筑地基基础设计规范［ｓ］． ｆ４］唐兴荣．高层建筑转换层结构设计与施工［Ｍ］．北京：中国建 筑工业出版社，２００４． ５结语 （１） 带转换层的结构在布置上下主体竖向结构 时，尽可能布置成上下竖向构件连续贯通，水平转换结 ［５］ＧＢ ５００１１—２００１，建筑抗震设计规范［ｓ］． ［收稿日期］２０１０—０３—０９ 【作者简介］ 寒军（１９６９一），女，哈尔滨人，高级工程师，从 构传力直接，设计时采取相应措施减少上下楼层抗侧 刚度及承载力的变化。 （２）本工程６层以下为超长结构，为满足建筑 功能及施工进度要求，采用无缝设计，掺人膨胀补偿收 事结构设计工作。 杨兴明等：某大型水泵试验用大型矩形水池设计 ２９ ２．２荷载组合及内力计算（结合实际工程） 地下式水池在进行承载能力极限状态设计时，应 按下述两种工况分别计算 ：①池内满水，池外无土 （水池试水工况）；②池内无水，池外满土（水池检修、 清理工况）。 ２．２．１ 水池计算 由于水池面积较大，顶部活荷载为２０ｋＮ／ｍ ，考虑 位非常重要，一般设计均取用水文资料的最高地下水 位，但有时也要根据实际情况综合考虑 ］。 池内水压Ｐ ＝１．２ ７ ＝７２ｋＮ／ｍ 池外土压：池顶Ｐ ：（１．４ｑｋ＋１．２ｙｈ。）ｔａｎ （４５。一 ／２）＝（１．４ ｘ２０＋１．２ Ｘ １８×０．１８）Ｘ ｔａｎ （４５。一３０。／ ２）＝１０．６３ｋＮ／ｍ ；池底Ｐ２＝［１．４９ｋ＋１．２ｙ（ｈｌ＋日 ）］ ｔａｎ （４５。一 ／２）＝［１．４×２０＋１．２×１８ ｘ（０．１８＋６）］ ×ｔａｎ （４５。一３０。／２）＝５３．８３ｋＮ／ｍ 到建设成本和使用要求，池顶采用有梁楼盖方式，并在 池中增加框架柱（如图１所示）。池盖与池壁分两次 池外土、水压力作用下池壁内力（见公式２～４）： 现浇，采用抗剪钢筋相互连接。 （１） 地基承载力验算。计算得水池全重为 １７０９３ｋＮ，水池底板面积７８５．７ｍ ，池内单位面积水重 ５４ｋＮ／ｍ 。池顶活荷载ｑ ＝２０ｋＮ／ｍ ，垫层单位面积 重量２．９２ｋＮ／ｍ ，得：地基反力Ｒ。＝１．４ Ｘ ２０＋１．２× （１７０９３／７８５．７＋５４＋２．９２）＝１２２．４ｋＮ／ｍ ＜１５０ｋＮ／ ｍ ，地基承载力满足要求。 （２） 水池整体抗浮和局部抗浮计算。地下水位 在水池底板以下，无需验算。 （３）池顶计算：采用ＰＫＰＭ—ＳＡＴＷＥ软件按楼 盖进行梁板柱计算。 池壁次梁 框架梁 Ｉ ．＾ 【 ｆ ｆ ’ 一 ｌ【 ● Ｔ ＣＣ ｊ… 一 侣 Ⅱ ｈ一 Ｔ Ｉ Ｉ４磁 Ｉ５０∞ ５０００ ５ＯＯ０ ３ＯＯＯ ５０００Ｉ４５０ＤＩ４５００ｌ ５５２５ Ｉ、、 ２ Ｓ ’ ’ 。 ｌ 图１水池池盖支拄布置 （４） 池壁计算。池壁与池盖按铰接考虑；池壁 长度与池壁深度之比 日 ＞２，池壁按底边固定、顶 端铰接的单向板（挡土墙）计算内力为 。 顶端 处剪力ＶＡ＝（１１Ｐ。＋４ ） ／４０ （１） 底端 处弯矩ＭＢ＝一（７Ｐ。＋８Ｐ ）日：／１２０ （２） 最大弯矩 ＶＡ 一 （３） 角隅处局部负弯矩： Ｍｃｘ＝ｍ１Ｐｌ ＋ｍ２（Ｐ２一Ｐ１） （４） 式中，Ｐ。＝Ｐ：一Ｐ ， 。＝（ 一 ）Ｈ ／（１一 ）， ＝ ［（９ ＋７ ＋４）／２０］。 ， ＝Ｐｌ／Ｐ２；ｍ１＝一０．０７６，为均 布荷载Ｐ 作用下角隅处最大水平向弯矩系数；ｍ：＝ 一０．０３５，为三角形分布荷载（最大值为Ｐ 一Ｐ ）作用 下角隅处最大水平向弯矩系数（ｍ 和ｍ：按规程 ＣＥＣＳ１３８取值 ）。 先计‘算池内水压和池外土压。合理地确定地下水 Ｐｏ＝Ｐ２一Ｐｌ＝５３．８３—１０．６３＝４３．２ｋＮ／ｍ ； ＝ Ｐ。／Ｐ２＝１０．６３／５３．８３＝０．１９７ ＝［（９ｕ ＋７ ＋４）／２０］。／２＝［（９×０．１９７ ＋７× ０．１９７＋４）／２０］ ：０．５３５２ ＝［（１１Ｐ１＋４Ｐ２）日 ］／４０＝［（１１ Ｘ １０．６３＋４ Ｘ ５３．８３）ｘ ６］／４０＝４９．８４ｋＮ 。＝（ —ｕ） 。 ／（１一ｕ）＝（０．５３５２—０．１９７）×６／ （１—０．１９７）＝２．５２７ｍ 最大弯矩Ｍ…＝４９．８３ Ｘ ２．５２７一［１Ｏ．６３ Ｘ ２．５２７ ］／２一［４３．２×２．５２７ ］／（６×６）＝７２．６５ｋＮ・ｍ。 底端弯矩Ｍ ＝一（７×１０．６３＋８ Ｘ ５３．８３）Ｘ ６２／ １２０＝一１５１．５ｋＮ・ｍ。 角隅最大弯矩 ｃｘ＝一０．０７６Ｐ ：一０．０３５（Ｐ：一 Ｐ】） ：一８３．５２ｋＮ・ｎｌ。 池内水压力作用下池壁内力： 将Ｐ ：０、Ｐ：＝Ｐ ：７２ｋＮ／ｍ 代入公式（２）～ （４），可得最大弯矩Ｍ ．…＝７７．２４ｋＮ・ｍ；底端弯矩 Ｍ ．Ｂ＝一１７２．８ｋＮ・ｍ；角隅最大弯矩Ｍｃｘ＝一 ０．０３５Ｐ 月 ＝一０．０３５×７２×６ ＝一９０．７ｋＮ・ｍ。 （５） 池底计算。因地下水水位标高为一１１．５ｍ， 无需考虑水浮力作用。 本工程水池部分面积较大，为节约建造成本，充分 利用基础承载力均匀的特点，根据池盖支柱的承载力 计算，整个池底按厚度３５０ｍｍ设计，池盖支柱直接落 在池底板上，以池底板作为基础；池底板双层双向配 筋，为 ４＠１６０。 在池内水或池外土的作用下，池壁下端产生的弯 矩作为力偶必然作用于底板，增加底板的建造成本。 本设计过程中不考虑池壁下部弯矩对底板的作用，通 过构造措施，结合条形基础的设计，底板局部加厚到 ４５０ｍｍ（如图２所示），由条形基础承载弯矩；为简化施 工工艺，水池底板和池壁条基按照整体一起施工。 ２．２．２ 阀门管道安装坑道内力计算 为简化计算，阀门管道安装坑道可按照水池考虑， 使用工况为池内无水。与前面的蓄水池相比，池外土 压力作用完全相同。底板、顶盖计算同蓄水池。地基 低温建筑技术 ２０１０年第７期（总第１４５期） ｒ － ｌｎ 【： 图２池壁与基础固定连接构造 反力考虑池壁、池盖的重量即可。 因 日＝９／６＝１．５＜２（Ｌ与日分别是池壁长度与 池深），故按三边固定、顶端铰接的双向板计算。计算 时，把梯形荷载分解为均布荷载Ｐ。和三角形荷载（Ｐ 一Ｐ，），前面计算已知：Ｐ ＝１０．６３ｋＮ／ｍ ，Ｐ ＝ ５３．８３ｋＮ／ｍ 。内力按《建筑结构静力计算实用手 册》 计算，结果见表１。 ２．２．３水泵安装井内力计算 水泵安装井为敝口井，池外土压力计算同蓄水池， 地基反力、抗浮、池底板等计算过程也可参照蓄水池。 因为０．５＜Ｌ／Ｈ＜２（Ｌ与 分别是池壁长度与池深）， 池壁按三边固定、顶端自由的双向板计算。计算结果 见表１。 表１ 池外土、水压力作用下的池壁内力 ｋＮ・ｍ ３构造措施 除通过计算来满足水池的强度和裂缝宽度要求 外，更应注意采取构造措施来加强结构的整体性，增强 其防水、抗渗和耐冻性能。以下是设计现浇钢筋混凝 土矩形水池时应注意的构造措施 。 （１）水池壁厚宜取Ｈ／１６—１１／２０≥２００ｒａｍ，池壁 底板厚度不宜＜２００ｍｍ，顶盖厚度不宜＜１５０ｒａｍ。 （２） 清水池受力钢筋的混凝土保护层最小厚度 应符合下述要求：板、壳３０ｍｍ；梁、柱３５ｍｍ；有垫层的 底板４０ｒａｍ。 （３） 矩形钢筋混凝土水池的长度、宽度超过 ２０ｒｎ时，应设置适应温度变化的变形缝。但由于变形 缝施工比较困难，而且橡胶止水带的耐久性比较差，往 往会导致渗漏，本工程蓄水池４２．３５ｍ长度方向中间 位置设置了贯通式后浇带，在同一剖面上顶盖、底板、 池壁由后浇带贯通。后浇带的宽度应考虑便于施工操 作，并按结构构造要求而定，一般宽度以７００～ ｌ０００ｍｍ为宜。 （４） 当顶盖与池壁顶端设有抗剪钢筋连接时， 池壁与顶盖的连接点应视为铰支承；当池壁与顶板为 整体浇筑并配置连续钢筋时，池壁与顶板的连接节点 应视为弹性固定。 （５） 敞口水池顶端宜设置暗梁。水平向加强钢 筋内外两侧各不应少于３根，间距不宜大于１０ｅｍ，直 径不应小于池壁受力钢筋，且不宜小于１６ｒａｍ。 （６） 水池池壁的拐角及与底板的交接处，若按 固定或弹性固定的均应设置腋角。腋角边宽不宜小于 １５０ｍｍ。腋角内配置斜筋的直径与池壁受力筋相同， 间距宜为池壁受力筋间的两倍。 （７） 水池各部位的受力钢筋，除按计算配筋外， 尚应符合现行ＧＢ ５００１０—２００２《混凝土结构设计规 范》的有关规定。受力钢筋宜采用直径较小的钢筋密 布，但每米宽度不宜超过１０根。 ４结语 随着国民经济的发展，各种大型水池的建设日益 广泛，如何保证水池的结构安全、降低水池的建造成 本、简化水池的施工工艺难度等因素越来越受到重视。 设计过程中，有些设计人员只考虑设计安全性，常常人 为加大池壁或底板厚度，或加大构件截面、钢筋面积， 造成不必要的浪费。应该综合各方面的因素，在确保 设计安全的同时，尽量节约材料，使设计既可靠又经 济。本工程在设计的过程中充分考虑了这一点，并且 工程水池的满水试验（冬季），２４小时的渗漏几乎观察 不到。２００９年６月投入使用后，得到业主单位的高度 肯定。 参考文献 ［１］朱彦鹏主编．特种结构［Ｍ］．武汉：武汉工业大学出版社， ２０００． ［２］ ＣＥＣＳ１３８：２００２，给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程 ［ｓ］． ，［３］姚谏主编．建筑结构静力计算实用手册［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版社，２００９． ［４］ 高伟，陆体勇．工业水池设计中的问题浅析［Ｊ］．江苏建材， ２００８。（９）：４５—４６． ［５１ 张金涛．矩形钢筋混凝土水池设计问题总结［Ｊ］．化工设计， ２００９，１９（２）：３２—３５． ［６］赵永福，孙海涛，唐坚梅．杨龙斐．浅议钢筋混凝土水池设计 ［Ｊｊ．建筑与结构设计，２００９，（２）：５５—５７． ［收稿日期Ｊ ２０１０—０２—０２ ［作者简介］杨兴明（１９６６一），男，浙江义乌人，硕士研究生， 研究方向：结构工程。
