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1、1,合肥工业大学土木与水利工程学院 道 路 桥 梁 工 程 系 方诗圣 汪权 朱亚林,Water and Waste Water Engineering Structure,给水排水工程结构,2,第九章 钢筋混凝土水池设计,水池的结构形式 水池上的作用 地基承载力及抗浮稳定性计算 钢筋混凝土圆形水池设计 钢筋混凝土矩形水池设计,本章主要内容：,3,第一节 水池的结构形式,1.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，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
2、因素来确定。,给排水工程中的水池分类：,4,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，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9-1），而其他池子则多不设顶盖。,5,预处理底板配筋,6,周进周出二沉池底部,7,二沉池布筋,8,清水池布筋,9,水解池底布筋,10,河南开封辅仁制药有限公司污水处理厂 改造工程二沉池（5000 /m3d）,11,集水坑施工图,12,清水池施工图,13,圆形水池施工图,14,15,16,9.1.1 贮水池容量、形状、水深等技术经济指标,贮水池容量在3000m3以内
3、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。 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200m3以上时，池壁的长高比将超过2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池的大。,17,贮水池的设计水深一般为3.55.0m，故容量的增大主要使水池平面尺寸增大。当水池容量超过3000m3时，圆形水池的直径将超过30m，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
4、深一定时，水池平面尺寸的扩大不会影响池壁厚度。故容量大于3000m3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、水泥用量和钢材等经济指标来说，当水池容量大约在3000m3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低，当容量超过约3000m3时，矩形池的各项经济指标基本趋于稳定。,19,9.1.2 贮水池场地布置,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
5、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,9.1.3 水池池壁厚度,变厚池壁的厚度按直线变化，变化率以2%5%（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
6、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，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。,9.1.4 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，水池可以分为地下式、半地下式及地上式。,9.1.5 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。
7、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。,9.1.6 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
8、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,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，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。缺点是模板制作费费工
9、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，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由池顶和池底直接相接组成蚌壳式水池。,26,图9-2为某石油化工厂10000m3地下式原油罐，此油罐采用两个扁球壳正反相加而成，内径达39m，池中心净高14.5m，但顶壳厚仅100mm，底壳厚仅60mm，其造价、混凝土和钢筋用量均低于同容量的预应力混凝土圆柱形罐，但模板用量则较大。,27,在水处理用池中，由于工艺的特殊要求，池底长作成倒锥形、倒球壳或多个旋转壳体组成的复杂池形。图9-3为采用倒锥形和倒球壳组合池底的加速
10、澄清池。,28,第二节 水池上的作用,水池上的作用有永久作用和可变作用。其中， 永久作用包括：结构和永久设备的自重、土的竖向压力和侧向压力、构筑物内部的盛水压力、结构的预加应力、地基的不均匀沉降。 可变作用包括：地面上的活荷载、堆积荷重、雪荷载、地表或地下水的压力（侧压力、浮托力）、结构构件的温度、湿度变化作用等。,29,图9-4所示为水池最常见的荷载，池顶、池底及池壁的各种荷载必须分别进行计算,30,9.2.1 池顶荷载,作用在水池顶板上的竖向荷载，包括顶板自重、防水层重、覆土重、雪荷载和活荷载。 顶板自重及防水层重按实际计算。一般现浇整体式池顶的防水层只需用冷底子油打底再刷一道热沥青即可，
11、其重量甚微，可以忽略不计。 池顶覆土的作用主要是保温与抗浮。保温要求的覆土厚度根据室外计算最低气温来确定。当计算最低气温在-10以上时，覆土厚度可取0.3m；-10-20时，可取0.5m；-20-30时，可取0.7m；低于-30时取1.0m。覆土重力密度标准值一般取18kN/m3。,31,雪荷载标准值应根据建筑结构荷载规范（GB50009-2001)的全国基本雪压分布图及计算雪荷载的有关规定来确定。,活荷载是考虑上人、临时堆放少量材料等的重量，活荷载标准值要按附录3-1的规定取用。建造在靠近道路处的地下式水池，应使覆土顶面高出附近地面至少300 500mm，或采取其他措施以避免车辆开上池顶。,
12、雪荷载和活荷载不同时考虑，即仅在这两种荷载中选择数值较大的一种进行结构计算。我国除新疆最北部少数地区的基本雪压可能超过1.0kN/m2外，其他广大地区均在0.8kN/m2以内，故一般都取活荷载进行计算。,32,当采用整体式底板时，底板就相当于一个筏板基础。 水池的整体式底板通常采用反无梁板，其设计计算方法与一般无梁板相同。 池底荷载就是指将使底板产生弯矩和剪力的那一部分地基反力或地下水浮力。 水池的地基反力一般可按直线分布计算，因此直接作用于地板上的池内水重和底板自重将与其引起的部分地基反力直接抵消而不会使底板产生弯曲内力。只有由池壁和池顶支柱作用在地板上的集中力所引起的地基反力才会使底板产生
13、弯曲内力，这部分地基反力由下列三部分组成：,9.2.2 池底荷载,33,1）由池顶活荷载引起的，可直接取池顶活荷载值； 2）由池顶覆土引起的，可直接取池顶单位面积覆土重； 3）由池顶板自重、池壁自重及支柱自重引起的，可将池壁和所有支柱的总重除以池底面积再加上单位面积顶板自重。 当底板向池壁外挑出一定长度时，池底面积将大于池顶面积，上述的荷载取值方法具有近似性，但偏于安全。较精确的计算方法是对池顶活荷载、覆土重及顶板自重均应取整个池顶上的总重再除以池底面积。 当池壁与底板按弹性固定设计时，为了便于进行最不利内力组合，池底荷载的上述三个分项应分别单独计算。 不论有无地下水浮力，池底荷载的计算方法相
14、同。当有地下水浮力时，地基土的应力将减小，但作用于底板上的总的反力不变。,34,池壁承受的荷载除池壁自重和池顶荷载引起的竖向压力和可能的端弯矩外，主要是作用于水平方向的水压力和土压力。 水压力按三角形分布，池内底面处的最大水压力标准值为：,9.2.3 池壁荷载,（9-1）,Pwk -池底处的水压力标准值； -水的重度标准值，对于给水处理构筑物可取 10kN/m3，对于污水处理构筑物可取1010.8kN/m3； Hw -设计水深，以m计；,虽然设计水位一般在池内顶面以下200300mm，但为了简化计算，计算时常取水压力的分布高度等于池壁的计算高度。,35,池壁外侧的侧压力包括土压力，地面活荷载引
15、起的附加侧压力及有地下水时的地下水压力。 当无地下水时，池壁外侧压力按梯形分布; 当有地下水且地下水位在池顶以下时，以地下水位为界，分两段按梯形分布。在地下水位以下，除必须考虑地下水压力外，还应考虑地下水位以下的土由于水的浮力而使其有效重度降低对土压力的影响。为了简化计算，通常将有地下水时按折线分布的侧压力图形取成直线分布图形，如图9-4所示。 因此，不论有无地下水，只需将池壁上、下两端的侧压力值算出来就可以了。,36,池壁土压力按主动土压力计算，顶端土压力标准值按下式计算：,（9-2）,池壁底端土压力标准值，当无地下水时为：,（9-3）,当有地下水时为：,（9-4）,37,地面活荷载引起的附
16、加侧压力沿池壁高度为一常数，其标准值可按下式计算：,（9-5）,地下水压力按三角形分布，池壁底端处的地下水压力标准值为：,（9-6）,以上公式（9-2）（9-6）中： -回填土重度，一般取18kN/m3； -地下水位以下回填土的有效重度，一般取10kN/m3； -主动土压力系数，应根据土的抗剪强度确定，当缺乏试验资料时，对砂类土或粉土可取1/3，对黏性土取1/31/4；,38,-地面活荷载标准值，一般取2.0kN/m2；当池壁外侧地面可能有堆积荷载时，应取堆积荷载标准值，一般取10kN/m2； -分别为池顶覆土厚、顶板厚和池壁净高； -地下水位至池壁底部的距离（m）。,池壁两端的外部侧压力应根据实际情况取上述各种侧压力的组合值。对于大多数水池，池顶处于地下水位以上，则顶端外侧压力组合标准值为：,（9-7）,39,如果底端也处于地下水位以上，则底端侧压力组合标准值为：,（9-8）,当底端处于地下水位以下时，底端侧压力组合标准值为：,（9-9）,40,除前述荷载的作用以外，
