[工学]10钢筋混凝土水池设计

第十章 钢筋混凝土水池设计本章主要内容：介绍工程中常见水池的结构形式 及其承受的主要荷载钢筋混凝土圆形水池的设计钢筋混凝土矩形水池的设计第十章 钢筋混凝土水池设计§10-1 水池的结构型式钢 筋混凝土筋混凝土贮水池水池结构形式构形式§10-1 水池的结构型式一、水池分类一、水池分类第十章 钢筋混凝土水池设计§10-1 水池的结构型式二、水池池壁结构型式二、水池池壁结构型式水池池壁由荷载产生的内力大小及其分布情况可做成：水池池壁由荷载产生的内力大小及其分布情况可做成：第十章 钢筋混凝土水池设计§10-1 水池的结构型式三、水池顶盖和底版型式三、水池顶盖和底版型式1.贮水池的顶盖和底板多采用平顶和平底型式2.水处理用池中由于工艺的特殊要求，池底常做成倒锥壳、倒球壳，或多个旋转壳体组成的复杂型式倒锥壳和倒球壳组合池底形成的加速澄清池示意图第十章 钢筋混凝土水池设计§10-2 水池的荷水池的荷载作用在水池上的主要荷载有：荷载竖向传递的池顶荷载和池底荷载；荷载水平方向传递的池壁荷载等池顶活荷载q覆土厚hs池顶板厚h2底板板厚h1垫层厚h3设计水位池底荷载无地下水有地下水实 际 分 布线简化分布线HnHwHw/pwp2p1地下水位水池的荷载第十章 钢筋混凝土水池设计§10-2 水池的荷载一、池顶荷载顶板自重构造层重覆土重活荷载雪荷载结构计算时活荷载与雪荷载两者中取大值池顶活荷载q覆土厚hs池顶板厚h2底板板厚h1垫层厚h3设计水位池底荷载无地下水有地下水实际分布线简化分布线HnHwHw/pwp2p1地下水位图 10-3 水池的荷载第十章 钢筋混凝土水池设计§10-2 水池的荷载二、池底荷载二、池底荷载整整体体式式底底板板，，池池底底荷荷载载是是指指将将使使底底板板产产生生弯弯矩矩和和剪剪力力的的那那部部分分地地基基反反力力或或地地下水浮力，其计算公式为：下水浮力，其计算公式为： 池顶活荷载q覆土厚hs池顶板厚h2底板板厚h1垫层厚h3设计水位池底荷载无地下水有地下水实际分布线简化分布线HnHwHw/pwp2p1地下水位图 10-3 水池的荷载第十章 钢筋混凝土水池设计§10-2 水池的荷载三、池壁荷载三、池壁荷载池壁承受的荷载主要是作用于水平方向的池壁承受的荷载主要是作用于水平方向的水压力水压力和和土压力土压力。

池壁水压力按三角形分布，池内底面处的最大水压力标准值计算公式：池壁水压力按三角形分布，池内底面处的最大水压力标准值计算公式：池壁土压力按主动土压力计算，池壁外侧压力按梯形分布池壁土压力按主动土压力计算，池壁外侧压力按梯形分布池壁顶端外侧压力组合标准值计算公式：池壁顶端外侧压力组合标准值计算公式：池壁顶端外侧压力组合标准值计算公式：池壁顶端外侧压力组合标准值计算公式：当无地下水时当无地下水时 当有地下水时 第十章 钢筋混凝土水池设计§10-2 水池的荷载四、其它作用对水池结构的影响四、其它作用对水池结构的影响温度和湿度的变化：温度和湿度的变化：温度和湿度的变化会使混凝土产生收温度和湿度的变化会使混凝土产生收缩和膨胀，在结构中引起缩和膨胀，在结构中引起附加应力；附加应力；地震作用地震作用 ：：对水池具有破坏性的地震荷载主要氏是水平方向的地震惯性力地震惯性力五、荷载组合五、荷载组合水池一般应根据下列三种不同荷载组合分别计算内力：水池一般应根据下列三种不同荷载组合分别计算内力：1. 池内满水，池外无土；池内满水，池外无土；2. 池内无水，池外有土；池内无水，池外有土；3. 池内满水，池外有土。

池内满水，池外有土第十章 钢筋混凝土水池设计§10-3地基承载力及抗浮稳定性验算 一、地基承载力验算一、地基承载力验算当水池基础采用整体式底板时，一般可假设地基反力为当水池基础采用整体式底板时，一般可假设地基反力为均匀分布均匀分布地基承载力验算公式：地基承载力验算公式： 式中式中 为修正后的地基持力修正后的地基持力层承承载力特征力特征值，，按按《《建筑地基基建筑地基基础设计规范范》》GB 50007-2002的的规定确定定确定 第十章 钢筋混凝土水池设计§10-3地基承载力及抗浮稳定性验算二、水池的抗浮稳定性验算二、水池的抗浮稳定性验算当水池底面标高在地下水位以下，或位于地表滞水层内而又无排除上层滞水措施当水池底面标高在地下水位以下，或位于地表滞水层内而又无排除上层滞水措施时，地下水或地表滞水就会对水池产生浮力当水池处于空池状态时就有被时，地下水或地表滞水就会对水池产生浮力当水池处于空池状态时就有被浮托起来或池底板和顶板被浮力顶裂的危险此时，应对水池进行抗浮稳定浮托起来或池底板和顶板被浮力顶裂的危险此时，应对水池进行抗浮稳定性验算1.水池整体抗浮稳定性验算水池整体抗浮稳定性验算验算公式验算公式2.水池局部抗浮稳定性验算水池局部抗浮稳定性验算——仅对池内有中间支柱的封闭式水池仅对池内有中间支柱的封闭式水池验算公式验算公式地下水位局部抗浮不够时水池的变形第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计 一、圆形水池主要尺寸及计算简图一、圆形水池主要尺寸及计算简图1.主要尺寸主要尺寸圆形水池高度圆形水池高度——一般控制在一般控制在3.5m~6.0m之间之间圆形水池直径圆形水池直径——高度确定之后由水池容量推算直径高度确定之后由水池容量推算直径 圆形池壁厚度圆形池壁厚度——通过计算确定，通过计算确定， 同时满足同时满足水池顶盖和底板的结构尺寸水池顶盖和底板的结构尺寸——由第九章原则初步估算由第九章原则初步估算第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计一、圆形水池主要尺寸及计算简图一、圆形水池主要尺寸及计算简图2.计算简图计算简图水池的计算直径（水池的计算直径（d）应按池壁截面轴线确定；）应按池壁截面轴线确定；池壁的计算高度（池壁的计算高度（H）则应根据池壁与顶盖和）则应根据池壁与顶盖和底板的连接方式来确定。

底板的连接方式来确定当当 池壁上、下端均为整体连接时：池壁上、下端均为整体连接时：上端按弹性固定，下端按固定计算时，取上端按弹性固定，下端按固定计算时，取上下端均为弹性固定计算时，取上下端均为弹性固定计算时，取当池壁上、下端均为铰接时当池壁上、下端均为铰接时: 取取 H至铰接中心处至铰接中心处当池壁上、下端为非整体连接时当池壁上、下端为非整体连接时: 取取 H=Hnrhdndddnhra)b)HHnHnH圆形水池池壁计算尺寸及上、下边界连接示意图第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计一、圆形水池主要尺寸及计算简图一、圆形水池主要尺寸及计算简图3.池壁上、下端的边界条件池壁上、下端的边界条件池壁下端的边界条件：池壁下端的边界条件： 固定连接固定连接弹性固定连接弹性固定连接铰连铰连池壁上端的边界条件：池壁上端的边界条件：自由边界自由边界铰接铰接弹性固定连接弹性固定连接按固定支承计算的条件：按固定支承计算的条件：池壁底端如与底板整体连接，同时满足下面三个条件时：⑴如图10-6所示h 1≥h；⑵a1>h且a2≥a1；⑶地基良好，地基土壤为低压缩性或中压缩性（压缩系数a1-2<0.5）弹性固定连接即考虑池壁与底（顶）板的变形连续性，将池壁与底（顶）板的连接看成可以产生弹性转动的刚性节点。

池壁与池底整体连接，但不能满足固定支承的其它条件时池壁与池底整体连接，但不能满足固定支承的其它条件时，，应按弹性固定连接弹性固定连接计算 池壁池底a1a2hh1图10-6 池壁与池底整体连接示意图第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计二、池壁内力计算二、池壁内力计算（一）圆水池池壁内力计算的基本原理（一）圆水池池壁内力计算的基本原理 1.假定条件：假定条件：◆◆池壁可看作圆柱形薄壳，忽略池壁厚度；池壁可看作圆柱形薄壳，忽略池壁厚度；◆◆忽略由池顶、池底传于池壁的竖向力对池壁轴力的影响；忽略由池顶、池底传于池壁的竖向力对池壁轴力的影响；◆◆假设池壁壳体材料是各向同性的匀质连续弹性体；假设池壁壳体材料是各向同性的匀质连续弹性体；◆◆圆形水池所承受的侧压力是轴对称性的，池壁产生的变形和内力也为圆形水池所承受的侧压力是轴对称性的，池壁产生的变形和内力也为轴对称性轴对称性2.池壁单元微分体的内力分布：池壁单元微分体的内力分布：若取一高度为若取一高度为dx，环向为单位弧长的微分体作为脱离体，由对称性原理，可以确定在微分体各截面上产，环向为单位弧长的微分体作为脱离体，由对称性原理，可以确定在微分体各截面上产生的内力生的内力：：在垂直截面上只有在垂直截面上只有环向力（环向力（ ）和环向弯矩（）和环向弯矩（ ）；）；在水平截面上只有在水平截面上只有竖向弯矩（竖向弯矩（ ）和剪力（）和剪力（ ）） M1M1rrM2M21V1V1V2V2pXωxdxHrMxVxdθ=1/rpxdxNθdxMθdxMθdxNθdxdxh两端有约束的池壁内力分析图第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计二、池壁内力计算二、池壁内力计算（一）圆水池池壁内力计算的基本原理（一）圆水池池壁内力计算的基本原理3.池壁内力计算池壁内力计算（（1）计算公式）计算公式环向力环向力 竖向弯矩竖向弯矩 环向弯矩环向弯矩 剪剪 力力 （（2）荷）荷载及内力符号及内力符号规定定 以指向朝外以指向朝外为正正； 以受拉以受拉为正；正； 、、 以使池壁外以使池壁外侧受拉受拉为正；正； 以指向朝外以指向朝外为正。

正 第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计二、池壁内力计算二、池壁内力计算（二）圆水池池壁内力系数表的应用（二）圆水池池壁内力系数表的应用1.附表5-1所包括的池壁上、下端边界条件★★底固定，顶自由；底固定，顶自由；★★底铰支，顶自由；底铰支，顶自由；★★底固定，顶铰支；底固定，顶铰支；★★两端固定；两端固定；★★两端铰支两端铰支2.附表5-1所包括的荷载形式◆◆三角形荷载三角形荷载◆◆矩形荷载矩形荷载第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计二、池壁内力计算二、池壁内力计算（二）圆水池池壁内力系数表的应用（二）圆水池池壁内力系数表的应用3.对端部有约束的池壁进一步简化计算对端部有约束的池壁进一步简化计算（1）当 <0.2时，可忽略环向力，即取Nθ=0，按垂直单向板计算；（2）当 >2.0 时，长壁圆水池，计算时可以忽略两端约束力的相互影响；（3）当0.2 < ≤2.0时，称为短壁圆水池，这时不能忽视两端约束力的影响，必须按精确理论计算4）当 >56 时，为深池此时计算步骤：▼在0.25H~0.75H范围内，按两端自由的静定薄壁圆筒计算，其内力只有环向力即 ▼在0.0H~0.25H即0.75H~1.0H范围内计算内力时，可取靠约束端高度为 的一段水池，按一端有约束，另一端为自由的池壁，用附录5-1中相应边界条件和荷载状态下 =56的内力系数进行计算。

rrpxwHxa)b)dshdθNθNθθpx两端自由的圆形水池池壁计算简图第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计二、池壁内力计算二、池壁内力计算（三）壁端为弹性固定时内计算（三）壁端为弹性固定时内计算1.弹性固定端边界力的确定弹性固定端边界力的确定弹性固定端的边界力包括边界弯矩和边界剪力两项对平顶和平底圆水池，可以认为节点无侧移，边界弯矩可以用力矩分配法进行计算◆池壁边界力可按下列公式计算池壁边界力可按下列公式计算◆池壁内力计算池壁内力计算边界弯矩确定以后，可将弹性固定支承取消，代之以铰接和边界弯矩，池壁内力即可用叠加法求得M1M1M1M1M2M2M2M2长壁圆水池池壁两端为弹性固定时的内力分析简图pwpwpwpw第十章 钢筋混凝土水池设计§10-4 钢筋混凝土圆形水池设计三、池壁截面设计三、池壁截面设计池壁截面设计包括：池壁截面设计包括：⑴⑴计算所需的环向钢筋和竖向钢筋；计算所需的环向钢筋和竖向钢筋；⑵⑵按环拉力作用下不允许出现裂缝的要求验算池壁按环拉力作用下不允许出现裂缝的要求验算池壁厚度；厚度；⑶⑶验算竖向弯矩作用下的裂缝宽度；验算竖向弯矩作用下的裂缝宽度；⑷⑷按斜截面受剪承载力要求验算池壁厚度。

按斜截面受剪承载力要求验算池壁厚度第十章 钢筋混凝土水池设计§10-5 钢筋混凝土矩形水池设计一、矩形水池的计算简图一、矩形水池的计算简图㈠不同长高比池壁的计算假定第十章 钢筋混凝土水池设计 池壁在池壁在侧向荷向荷载作用下作用下单、双向受力的区分条件、双向受力的区分条件 壁板的边界条件板的受力情况四边支承 部分按水平单向计算；板端 部分按双向计算， 处可视为自由端按双向板计算按竖向单向计算，水平向角隅处应考虑角隅效应引起的水平向负弯矩三边支承，顶端自由 部分按水平单向计算；底部 部分按双向计算， 处可视为自由端按双向板计算按竖向单向计算，水平向角隅处应考虑角隅效应引起的水平向负弯矩角隅处考虑水平弯矩HHH=2ɭ部分按双 向板 计算>2ɭ部分按水平单向板计算LLL1.0m（a)（b)（c)（a) ；（b) ;（c) §10-5 钢筋混凝土矩形水池设计一、矩形水池的计算简图一、矩形水池的计算简图㈡池壁边界（支承）条件的确定开敞式水池开敞式水池挡土（水）墙式水池池壁挡土（水）墙式水池池壁 按顶端自由、底端固定的边界条件进行计算；双向板式水池的池壁双向板式水池的池壁 顶边按自由计算，底边一般可视为固定支承；水平框架式水池水平框架式水池 与相邻池壁的连接应按弹性固定考虑，与底板的连接一般可按固定考虑。

封闭式水池封闭式水池挡土（水）墙式水池挡土（水）墙式水池 池壁边界条件应根据两者线刚度的比值来确定当池壁线刚度为顶板线刚度的五倍以上时，可假设池壁顶端为铰接，否则应按弹性固定计算底端按固定计算；双向板式水池的池壁双向板式水池的池壁 顶边边界条件的确定原则与上述封闭式挡土（水）墙式水池相同，底边一般可视为固定支承；水平框架式水池水平框架式水池 顶板的连接应根据构造及刚度关系按铰接或弹性固定考虑 ，底板的连接一般可按固定考虑 第十章 钢筋混凝土水池设计§10-5 钢筋混凝土矩形水池设计二、矩形水池的结构布置原则二、矩形水池的结构布置原则1.平面布置平面布置矩形水池的平面一般均是长方形的，其布置应由地形来确定矩形水池的平面一般均是长方形的，其布置应由地形来确定2.基础型式基础型式▽▽挡土（水）墙式水池基础通常采用在池壁下设置带形基础，而底板采用铺砌式挡土（水）墙式水池基础通常采用在池壁下设置带形基础，而底板采用铺砌式结构；结构；▽▽双向板式和水平框架式水池基础，底板通常做成整体式双向板式和水平框架式水池基础，底板通常做成整体式3.伸缩缝的设置伸缩缝的设置伸缩缝设置原则伸缩缝设置原则对于现浇钢筋混凝土水池，地上式水池：对于现浇钢筋混凝土水池，地上式水池：当地基为土基时，温度区段的长度不宜超过当地基为土基时，温度区段的长度不宜超过20m；；当地基为岩基时不宜超过当地基为岩基时不宜超过15m。

对于现浇钢筋混凝土水池，地下式水池：对于现浇钢筋混凝土水池，地下式水池：当地基为土基时，温度区段的长度不宜超过当地基为土基时，温度区段的长度不宜超过30m；；当地基为岩基时不宜超过当地基为岩基时不宜超过20m伸缩缝宜做成将池壁、基础及底板同时断开的贯通式，缝宽不宜小于伸缩缝宜做成将池壁、基础及底板同时断开的贯通式，缝宽不宜小于2mm 第十章 钢筋混凝土水池设计§10-5 钢筋混凝土矩形水池设计二、矩形水池的结构布置原则二、矩形水池的结构布置原则4.挡土（水）墙式水池池壁结构型式挡土（水）墙式水池池壁结构型式开敞式挡土（水）墙式水池池壁，宜做成变厚度池壁，池壁底厚开敞式挡土（水）墙式水池池壁，宜做成变厚度池壁，池壁底厚=1.5池壁顶厚池壁顶厚开敞式挡土（水）墙式水池池壁，做成等厚度池壁的方法：开敞式挡土（水）墙式水池池壁，做成等厚度池壁的方法：▼在壁顶设置水平框梁和拉梁在壁顶设置水平框梁和拉梁▼做扶壁式池壁（当池壁高度做扶壁式池壁（当池壁高度H>5.0m））5.双向板式水池池壁双向板式水池池壁 一般做成等厚池壁一般做成等厚池壁6.水平框架式水池池壁水平框架式水池池壁 一般做成阶梯式变厚池壁一般做成阶梯式变厚池壁拉梁走道板扶壁HLL2.0~3.5m开敞式水池壁顶设置水平框梁开敞式水池壁顶设置水平框梁及拉梁示意图及拉梁示意图扶壁式池壁扶壁式池壁§10-5 钢筋混凝土矩形水池设计三、矩形水池计算三、矩形水池计算㈠计算要点㈠计算要点1.荷载组合荷载组合2.池壁及底板的受力性质：池壁及底板的受力性质：受弯；偏心受拉；偏心受压。

受弯；偏心受拉；偏心受压3.当池壁池底处于受弯、大偏心受压或大偏心受拉时，池壁及底板允许出现裂缝按当池壁池底处于受弯、大偏心受压或大偏心受拉时，池壁及底板允许出现裂缝按受弯构件进行裂缝宽度验算受弯构件进行裂缝宽度验算4.当池壁池底处于小偏拉时，不允许出现裂缝，按轴心受拉构件进行抗裂度验算当池壁池底处于小偏拉时，不允许出现裂缝，按轴心受拉构件进行抗裂度验算5.无顶盖挡土墙式水池采用分离式底板时，应验算池壁的抗倾覆稳定性及抗滑移稳定无顶盖挡土墙式水池采用分离式底板时，应验算池壁的抗倾覆稳定性及抗滑移稳定性6.采用整体式底板的地下式矩形水池，当地下水位高于底板底面时，应进行抗浮验算采用整体式底板的地下式矩形水池，当地下水位高于底板底面时，应进行抗浮验算§10-5 钢筋混凝土矩形水池设计三、矩形水池计算三、矩形水池计算㈡挡土（水）墙式水池的计算㈡挡土（水）墙式水池的计算设计步骤：设计步骤：⑴⑴初步估算池壁底端的厚度，基础底板的厚度一般选成与池壁底端厚度相同；初步估算池壁底端的厚度，基础底板的厚度一般选成与池壁底端厚度相同；⑵⑵选定基础的宽度和它伸出池壁以外的宽度；选定基础的宽度和它伸出池壁以外的宽度；⑶⑶按所选的池壁及基础截面验算稳定性及基底土壤应力；按所选的池壁及基础截面验算稳定性及基底土壤应力；⑷⑷计算池壁和基础的内力及配筋，并验算裂缝。

计算池壁和基础的内力及配筋，并验算裂缝取取1m宽竖条作为计算单元宽竖条作为计算单元1．抗倾覆及抗滑移稳定性验算．抗倾覆及抗滑移稳定性验算第一种荷载组合（池内满水、池外无土）第一种荷载组合（池内满水、池外无土）池壁池壁A点的抗倾覆稳定性按下列公式进行验算：点的抗倾覆稳定性按下列公式进行验算：抗滑移稳定性验算公式：抗滑移稳定性验算公式：• HwHw/3 Hh1aBawGwkGBkPwk=½γwHw2γwHw设计水位A矩形水池池壁抗倾覆、矩形水池池壁抗倾覆、抗滑移稳定性验算简图抗滑移稳定性验算简图§10-5 钢筋混凝土矩形水池设计三、矩形水池计算三、矩形水池计算㈡挡土（水）墙式水池的计算㈡挡土（水）墙式水池的计算2.地基承载力验算地基承载力验算池壁基础处于竖向压力和力矩的共同作用下，池壁基础处于竖向压力和力矩的共同作用下，基底土壤应力不是均匀分布的基底土壤应力不是均匀分布的 ，当时基底应力的分布图形为梯形或底宽为基底应力的分布图形为梯形或底宽为a的三角形，的三角形，基底边缘处的土壤应力按下式计算：基底边缘处的土壤应力按下式计算：当当 时时以上算得的土壤应力应满足下列条件：以上算得的土壤应力应满足下列条件： 为地基承载力特征值为地基承载力特征值 (a)∑G∑Gce0>a/6e0

封闭式水池：按偏压构件计算等厚池壁：只取支座负弯矩截面和跨中最大正弯矩截面作为计算配筋量的控制截面；等厚池壁：只取支座负弯矩截面和跨中最大正弯矩截面作为计算配筋量的控制截面；变厚池壁：适当增加控制截面，通常宜取变厚池壁：适当增加控制截面，通常宜取 和底端等四个截面来进行配筋计算和底端等四个截面来进行配筋计算 3）池壁的水平钢筋确定）池壁的水平钢筋确定▲在角隅处水平钢筋应根据角隅弯矩及相邻池壁传来的拉（压）力按偏心受拉（压）计算确定；在角隅处水平钢筋应根据角隅弯矩及相邻池壁传来的拉（压）力按偏心受拉（压）计算确定；▲沿壁长的中部区段需要配一定数量温度钢筋其面积当池壁厚度不大于沿壁长的中部区段需要配一定数量温度钢筋其面积当池壁厚度不大于500mm时，池壁每侧应不少时，池壁每侧应不少于池壁截面积的于池壁截面积的0.15%；当池壁厚度大于；当池壁厚度大于1500mm时，不宜少于时，不宜少于0.05%；； ▲ 在壁顶集中配置在壁顶集中配置4~4根直径在根直径在12mm~16mm的水平钢筋以防止池壁竖向裂缝由壁顶向下逐渐延伸的水平钢筋以防止池壁竖向裂缝由壁顶向下逐渐延伸。