预应力钢筋混凝土水池结构设计

朱海燕

（广东省环境保护工程研究设计院有限公司，广州510030）

1 引言

预应力钢筋混凝土水池结构与普通水池相比具有诸多特点与优势，但从目前来看，预应力水池在工程设计中仍面临一些难点有待解决，阻碍了预应力水池在污水处理厂中的应用。基于此，有必要对其展开更加深层次的研究，进而提升预应力水池结构设计的质量与效率，为预应力钢筋混凝土水池的建设与推广提供一些建议与技术指导。

2 工程概况——以某地区地下式污水处理池为例

某地区一污水处理厂，其总规模可达到2×105t/d，其中，一期工程的规模为1×105t/d，在一期工程中总共包括2 座相同的生化池。生化池的底板尺寸为80.5 m×72.5 m，池壁为77.1 m×69.1 m，该生化池属于半地下式水池，水池净高总共为7.0 m，地下与地上部分分别为2.1 m 与4.9 m。池体运行过程中有效水深是6.0 m，在地基方面主要使用了CFG 桩复合地基处理，基础底板下设置3∶7 级配砂石褥垫层，池体的整体设计选用了钢筋混凝土挡水墙。水池四周以及横向中间隔墙下底板厚度为900 mm，剩下部分是构造底板，厚度为450 mm。按照3.1~3.2 m 的距离在壁板上进行扶壁柱的设置，壁板厚度为300 mm。池壁以及生化池底板都采用了C30 等级的混凝土。池体整体采用了不设缝设计方式，并进行2 条后浇带的设置。在水池底板、池壁处使用无黏结预应力混凝土结构，并运用水平直线型方式进行布筋，由于本结构是地下式水池，温度对底板的影响相对较小，所以，底板结构的设计主要采用以普通钢筋为主，预应力钢筋为辅的设计思路。

3 预应力水池的特点

3.1 适用性

预应力水池能够根据场地以及工艺的需求进行任何形状的浇筑，有较强的适用性。

3.2 经济性

通常情况下，普通钢筋的抗拉强度设计值为360 MPa，而预应力钢绞线的抗拉强度设计值为1 320 MPa，由此可见，预应力钢绞线的强度比普通钢筋高很多。所以，进行预应力钢筋混凝土水池结构的设计过程中，可以将预应力水池的顶板、池壁以及底板设计得比普通水池更薄。与全钢水池相比，节省了高额周期性防腐费用。

3.3 防水性

预应力水池的应用减少了传统温度伸缩缝的设置，因此，避免了普通水池底板伸缩缝渗漏问题，并且还会对底板进行预应力的施加，能够在极大程度上控制水池裂缝的出现，提高水池的防水性能[1]。

3.4 耐久性

预应力可以缓解混凝土的收缩裂缝问题，保护钢筋不因混凝土出现裂缝而受到腐蚀。除此以外，通常会采用高密度聚乙烯塑料管或者钢管等具有良好不透水性的材料对有黏结和无黏结的钢绞线进行包裹[2]，从根本上杜绝了钢绞线的腐蚀问题。

3.5 周期短

预应力水池具有施工周期短、效率高的特点，由于预应力水池底板和池壁可以取消温度伸缩缝，所以能够一次性完成浇筑，在短时间内便能够完成大型混凝土水池底板的混凝土浇筑工作。可以采用一次或者分段的方式进行池壁浇筑，而顶板可以一次浇筑完成，所以，相对于普通水池施工，预应力水池的施工速度更快。上述多种应用优势使预应力水池在当下业界得到了广泛赞誉，尤其是对于有相关经验的工程师和业主，更是倾向于选用后张预应力技术针对水池渗漏这一高频问题进行解决。

4 预应力钢筋混凝土水池结构设计要点分析

4.1 水池荷载计算

4.1.1 池壁荷载

作用在池壁的荷载主要由地下水压力、池外土压力以及池内水压力组成。其中，水池所承受的最主要荷载是池内水压力，通常情况下会按照满池对水压进行计算。施工过程中，挖掘深度常超过原设计水位，与此同时，若实际运用中出现满池现象，能够有效对结构的安全性与稳定性进行保障。由于本工程属于半地下式水池，所以，池壁会受到土层的侧压力，通常可以使用朗肯主动压力理论对侧压力进行计算。相关工作人员可以结合岩土勘察报告中的各项数据对土的各参数进行确定。若地面无堆载，地面活荷载可取10 kN/m2。若地下水位线处在水池埋置深度范围内，则池壁外侧不能仅考虑地下水的压力，还应在此基础上明确地下水位以下的土层在受到水的浮力后降低了土层的有效重度进而对土压力造成的影响。除此以外，地下水还会对池体产生托浮作用，设计人员在正式开展设计工作的过程中，需要科学地进行抗浮稳定验算，同时还要进行排水盲沟的设置，或者采取其他有效措施尽量避免有可能出现的水池上浮事故[3]。

4.1.2 池顶荷载

针对有顶盖的封闭式水池，需要对作用在池顶板上的竖向荷载进行计算，主要包含活荷载、雪荷载、覆土重、防水层重以及顶板自重的计算，要注意的是，不需要对活荷载以及雪荷载进行同时考虑。

4.1.3 温度荷载与湿度荷载

池壁本身会受到多种因素的影响，包括季节变化、工艺要求以及混凝土硬化过程中所生成的水化热等都会使池壁出现收缩以及膨胀问题，若变形存在一定的约束，会导使池体中出现一定的湿度和温度应力，从而导致池壁裂缝，而且部分地区在早晚或冬夏季都存在较大的温差和湿度差，所以，更需要科学合理地开展温湿度荷载计算。

4.2 水池内力计算

4.2.1 池壁边界条件假定

针对开敞式水池池壁，可以假定其边界条件为三边固接、顶边自由的板。而对于有顶盖的封闭式水池池壁，可以结合其同顶板本身所具有的连接情况，将其边界条件假定为三边固接、顶边铰接或者弹性支承的板。若池壁同顶板整体相连，同时，池壁线的刚度在顶板线刚度的5 倍以上时，可以假定池壁顶端是铰接形式，反之则是弹性支承。

4.2.2 池壁内力计算

矩形水池的壁板是矩形板，设计人员可以根据混凝土结构矩形板的计算方法，将其分成单向板和双向板展开相应的计算工作。若池壁是单向板，在受到水平荷载作用的条件下，荷载大多会沿竖向进行传递，在计算过程中，需要沿着池壁高度（H）以1 m 作为计算单元宽度，将池壁等效为竖向单向板进行计算。对于开敞式水池池壁，需要按照悬臂板进行计算。在池壁同相邻池壁的连接位置上，池壁位移会受到一定的限制，荷载既可以沿竖向进行传递，又可以沿水平方向进行传递，所以，应对角隅的水平向局部弯矩最大值进行计算。通常情况下，角隅弯矩包含2 种分布状态：（1）当池顶是自由边时，产生在顶端，角隅弯矩的零点同池壁竖向边存在约0.6 H 的距离；（2）当池顶是弹性支承或者铰接的情况下，角隅弯矩则产生于池壁高度的中部，其零点同池壁竖向边有约0.25 H 的距离。

4.2.3 底板内力计算

当池底位于最高地下水位以上，地基自身有比较均匀的中、低压缩性，而池型平面尺寸比较小时，可以根据线性分布对地基反力进行考虑，可以将水池底板做成变截面和等厚截面2 种形式，但在底板内力的计算中，2 种形式存在一定的差异性。若采用等截面的形式对水池底板进行制作，可以根据均匀线性分布进行地基反力的计算，沿着短边以及长边方向各取1 m 的宽截条，按照多跨或者单跨连续板进行计算，可以不对地基承载力进行验算。但若采用变截面的形式对水池底板进行制作，便可以沿池壁做成条形基础，而池底的其余部分则使用构造底板，地基反力根据边缘最大的最小反力斜直线分布[4]。

5 结语

综上所述，在保证安全性与稳定性的基础上，优化开展预应力钢筋混凝土水池结构设计工作，能够发挥材料性能有效提升工程整体经济性。应用预应力钢筋能提高水池质量，有效控制水池的裂缝。因此，设计人员要结合工程实际情况以及业主的需求，注重预应力钢筋在混凝土水池结构设计中的推广应用，解决预应力水池结构计算设计中的难点，并切实体现出其本身所具有的优势和特点，减少其实际应用过程中所面临的各种安全隐患。