水池结构设计指南

工业建筑结构设计

混凝土结构设计指南及规定

第六册 水池结构设计指南

（共八册）

中冶京诚工程技术有限公司

工业建筑院

二○○五年七月

目录

一． 材料………………………………………………………2

二． 水、土压力计算…………………………………………3

三． 侧壁内力计算……………………………………………4

四． 底板内力计算……………………………………………6

五． 配筋计算…………………………………………………9

六． 裂缝宽度验算……………………………………………9

七． 侧壁、底板厚度拟定………………………………… 10

八． 抗浮验算……………………………………………… 11

九． 工况组合……………………………………………… 11

十． 构造要求……………………………………………… 11 十一． 按强度及裂缝宽度控制的最大弯矩值（附表三）… 14 十二． 例题…………………………………………………… 26

编制：李绪华

审核：孙衍法

编程：覃嘉仕

钢铁厂的设计中会经常遇到水池，无论是炼铁、炼钢，还是轧钢，都存在水池。因没有统一的设计方法，导致设计方法较为离散。结合《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS 138:2002），对水池结构的设计方法进行一定的统一。

一．材料

1．砼强度等级不低于C25，严寒和寒冷地区不低于C30。

2．抗渗等级，根据最大作用水头与砼厚度的比值确定

一般情况下采用S6即可满足要求。

3．抗冻等级

最冷月平均气温低于－3℃的地区，外露的钢筋砼构筑物的砼应具有良好的抗冻性能，按下表采用：

砼抗冻等级Fi 系指龄期为28d 的砼试件，在进行相应要求冻融循环总次数i 次作用，其强度降低不大于25%，重量损失不超过5%。

最冷月平均气温在《民用建筑热工设计规范》GB 50176-93中查取。如：

北京 －4.5℃ 天津 －4.0℃

通化 －16.1℃ 石家庄 －2.9℃

承德 －9.4℃ 西安 －0.9℃

太原 －6.5℃ 本溪 －12.2℃

兰州 －6.7℃ 银川 －8.9℃

基本上除东北、西北和华北的大部分地区外，其他地区均不需要考虑砼抗冻要求。

二．水、土压力计算

1．水压力

按季节最高水位计算水压力，勘察报告中一般提出勘察期间地下 水位，可根据勘察的季节及水位变化幅度确定计算水位，准永久值系数为1.0。

2．土压力

主动土压力系数K a 可按1/3，地下水位以上土的重度取18kN/m3，地下水位以下取土的有效重度，可按10 kN/m3，准永久值系数为1.0。

3．地面堆积荷载（作用于水池侧面）

无特殊情况时，地面堆积荷载取10 kN/m2，准永久值系数为0.5。

4．汽车荷载（作用于水池侧面）

等代均布荷载见下表，准永久值系数为0。

5．列车荷载（作用于水池侧面） 若枕木在滑裂体（与水平面夹角55°斜面形成的滑裂体）以外，则不需考虑；否则按60 kN/m2等代均布荷载考虑，准永久值系数为0。

上述均布荷载乘以主动土压力系数K a 后作为矩形分布的荷载作

三．侧壁内力计算

1．平长壁板

所谓平长壁板，即L B /HB ＞2（有顶板）或L B /HB ＞3（无顶板） 的侧壁板。取1m 宽截条按竖向单向受弯计算，下端为固接，上端为自由（无顶板时）、铰接（有顶板或局部走道板）。

此时应考虑水平角隅弯矩，即验算构造水平筋能否满足水平角隅处的强度及裂缝宽度。

水平向角隅处弯矩：

M cx =mc qH B 2

q —均布荷载或三角形荷载的最大值（kN/m2）

m c 见下表：

2．深长壁板

所谓深长壁板，即H B /LB ＞2的侧壁板，

按两部分计算：

从底板顶面算起，2L B 以上部分按

水平单向受弯计算，0~2LB 部分按双向板

计算，从底板顶面算起2L B 处视为自由边。

3．矩形水池除上述两种情况外，即介于平长、深长之间的壁板，按双向受弯计算，以计算手册或软件进行计算。

4．圆形水池池壁

根据水池高度、半径及壁厚确定计算模型，见下表：

计算可用水工结构手册图表人工计算，也可用SAP 2000软件进行计算。人工计算较繁琐，最好以SAP 2000进行计算。

四．底板内力计算

1．长条水池（净长/净宽＞2）

（1）池壁顶以上无荷载（如无冷却塔等）或荷载较小

底板底面承受由侧壁传来的弯矩，分别按基本组合设计值和准永久组合设计值计算配筋和裂缝宽度。底板顶面按构造配筋，即满足最小配筋率。按最小配筋率确定的钢筋面积：

A s =ρmin ×bh ，ρmin 为0.20%（C25）、0.21%（C30）

也可根据厚度查表，选取较小配筋，表中配筋率ρ= A s /bh0，其一定≥ρmin ×h/h0， A s /bh≥ρmin ，等同于A s /bh0≥ρmin ×h/h0。

（2）池壁顶以上有荷载（如冷却塔等）

底板以基底净反力按1m 宽简支板计算，但要将壁板底部弯矩加到支座处，以降低底板跨中弯矩，M z =ql 2/8-MB 。基底净反力包括壁板、顶板及上部冷却塔等设备自重，

而不包括池内水重及底板自重。

采用桩基时以桩的净反力

作为集中力计算跨中弯炬，

板边负弯矩等于壁板底部弯炬，跨中正弯矩以负弯矩抵消一部分。

2．一般矩形水池（净长/净宽≤2）

（1）池壁顶以上无荷载（如无冷却塔等）或荷载较小

底板底面承受由侧壁传来的弯矩，分别按基本组合设计值和准永久组合设计值计算配筋和裂缝宽度。底板顶面按构造配筋，即最小配筋率和考虑超长时的构造纵筋。

（2）池壁顶以上有荷载（如冷却塔等）

底板以基底净反力按四边简支板计算，但要将壁板底部弯矩加到支座处，以降低底板跨中弯矩。基底净反力包括壁板、顶板及上部冷却塔等设备自重，而不包括池内

水重及底板自重。

跨中弯矩的计算采用

下述方法：

先根据静力计算手册按双向板计算跨中短向、长向弯矩M x 、M y ，假定底板的长边与短边由壁板所传弯矩为M x 0、M y 0，则考虑支座负弯矩后的跨中弯矩按下式计算

M xx =Mx -m xx Mx 0-m xy M y 0

M yy =My -m yx Mx 0-m yy M y 0

m xx ——长边负弯矩在短向跨中的弯矩系数

m xy ——短边负弯矩在短向跨中的弯矩系数

m yx ——长边负弯矩在长向跨中的弯矩系数

m yy ——短边负弯矩在长向跨中的弯矩系数

上述系数见下表：

采用桩基时，以桩的净反力作为集中力计算跨中弯矩，板边负弯矩等于壁板底部弯矩，跨中正弯矩以负弯矩抵消一部分。

5．圆形底板

五．配筋计算

1．弯矩计算中，水、土压力乘以荷载分项系数1.27，地面堆积 及车辆荷载产生的侧压力乘以荷载分项系数1.4。

强度计算时的池外土压力荷载分项系数取1.0；计算底板跨中弯矩时，若考虑侧壁弯矩的有力影响，则侧壁弯矩荷载分项系数取1.0。

2．以基本组合的设计值弯矩计算配筋面积，可人工计算，也可 以构件计算软件计算，应注意保护层厚度问题，即钢筋合力点至壁边缘距离a s ，见下表：

六．裂缝宽度验算

1．先按配筋计算结果选配出钢筋的直径及间距，然后验算裂缝 宽度。

2．裂缝宽度验算采用准永久组合值弯矩，水、土压力按标准值， 地面堆积荷载按标准值的0.5，汽车、列车荷载不考虑。

3．裂缝宽度限值

轧钢、炼钢、炼铁等水处理设施： 0.25mm

污水处理设施： 0.20mm

4．裂缝宽度计算按《给水排水工程构筑物结构设计规范》 （GB 50069-2002）附录A 进行，现有Excel 计算表格可用。 5．受力钢筋的保护层厚度：

侧壁取30mm ，与污水接触取35mm ，当表面有水泥砂浆或涂料时可减少10mm ；底板取40mm 。受力筋可能是水平筋或竖筋。 七．侧壁、底板厚度拟定

1．侧壁厚度可参考下列表格初步拟定

注 1） 壁厚按50 mm的倍数取值，水池较深时应采用变厚度形式，壁厚

在任何情况下不小于250 mm。 2） 按假定厚度试算，按强度或裂缝宽度确定的配筋率应在0.3~0.8%

之间，最好在0.4~0.6%之间。若配筋率＜0.3%，应减小厚度；若配筋率＞0.8%，应加大厚度。 3） 控制裂缝宽度最好用提高配筋率的方法，而不用加大厚度的方法。

2．底板厚度

底板厚度按壁厚的1.2~1.5倍，以1.2倍起算，与壁板类似，以配筋率控制。采用桩基时，为使桩与池壁中心线一致，应将底板外挑。

八．抗浮验算

按最高地下水位计算底板底面的浮托力，不计池内水重，以池壁、底板自重抵抗地下水浮托力，抗浮系数≥1.05。

采用桩基时，可考虑加上桩的抗拔承载力特征值来抵抗浮托力。 九．工况组合 1．地下水池

在池外水、土压力（包括地面荷载）作用下的计算，此时不考虑 池内水压力；

在池内水压力作用下的计算，此时不考虑地面荷载及池外地下水的作用，但应以池外土压力抵消一部分池内水压力产生的弯矩，强度计算时，此时的土压力荷载分项系数取1.0。

2．地上水池

地上水池指埋深较小的水池，底板顶面位于地面以下≤1m ，这种情况可只作在池内水压力作用下的计算。

十．构造要求 1. 伸缩缝间距（m ）

注：超出上表限值时，以留后浇带或掺膨胀剂措施解决。

2．水平构造筋、敞口水池池顶构造筋见附表一、二；转角处钢 筋构造见构造附图；

3．受力筋及构造筋尽可能采用直径较小的钢筋，钢筋间距尽可 能≦100（转角处因钢筋搭接而加密除外），也≧200。

4筋置于竖筋外侧，这两种情况竖筋保护层厚度均为30mm 。

当水平筋为主要受力筋时，水平筋置于竖筋外侧，此时水平筋保护层厚度为30mm 。

附表一 水池水平构造配筋：

附表二 敞口水池池壁顶面水平配筋：

构造附图：

侧壁、底板转角处 侧壁、底板交接处

图中l 按下列取值： 相邻壁水平较小净跨长

/4

或中间壁水平净跨长/4 两者取较小值，并不小于500

侧壁净高/4

十一．按强度及裂缝宽度控制的最大弯矩值（附表三） 1．受力钢筋保护层厚度按30 mm，当＞30mm 时，将强度弯矩值M 乘以折减系数0.95（h ≤600）、0.98（h ＞600）进行折减；将裂缝宽度弯矩值M q 乘以折减系数0.90（h ≤700）、0.95（h ＞700）。

2．强度控制的最大弯矩M 系指按表中给定的配筋推算出的最大弯矩设计值，应与在水、土压力及地面活荷载、车辆荷载作用下的基本组合弯矩值对应，即考虑荷载分项系数。

3．裂缝控制的最大弯矩M q 系指裂缝宽度为0.25 mm时，按表中给定的配筋推算出的最大弯矩值，应与在水、土压力及地面活荷载作用下的准永久组合弯矩值对应，不计车辆荷载，并考虑地面活荷载的准永久值系数0.5。

4．设计人计算出两种弯矩后，先核实强度对应的弯矩值，满足后再核实裂缝对应的弯矩值，两项必须都满足，即计算出的两项弯矩值必须都小于表中数值。

5．计算弯矩值应按钢筋直径从小到大顺序与表中最接近的弯矩值对应，查看配筋率，若＜0.3%或＞0.8%，则应考虑减小或加大侧壁或底板厚度。查表时，应首优先选用直径较小的钢筋，这样可在相同裂缝宽度下降低钢筋用量。

6．未列入表中的配筋，小直径钢筋属不满足最小配筋率，大直径钢筋属配筋率过大，前者不得采用，后者一般也不采用。

7．转角处钢筋间距可能变为@50、75，可按@100、150的强度及裂缝控制的弯矩值分别乘以1.5、1.8。

附表三 按强度及裂缝宽度控制的最大弯矩值

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注：1. 配筋率带下划线者为较适宜的配筋率。

2. 近为前提，即壁厚或底板厚较合适。

3. 当厚度受某种弯矩（如支座处）控制已确定时，其他弯矩较小部位（如跨中）配筋应采用满足最小配筋率的较小配筋，而不应采用适宜配筋率的配筋。

十二. 例题

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长条水池，截取1m 宽侧壁，按下端固接、上端铰接进行计算。

荷载：

土压力 q s =(18×1+10×4) ×1/3＝19.33 kN/m 水压力q w ＝10×4＝40 kN/m 地面荷载产生的侧压力 q m ＝10×1/3=3.33 kN/m

三种压力产生的弯矩值：

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支座基本组合弯矩值:

M=( Ms +Mw ) ×1.27+ Mm ×1.4=127.6 kN

·m

支座准永久组合弯矩值:

M q = Ms +Mw +0.5Mm =99.4 kN·m

跨中基本组合弯矩值:

M=( Ms +Mw ) ×1.27+ Mm ×1.4=56.4 kN·m

跨中准永久组合弯矩值:

M q = Ms +Mw +0.5Mg =40.8 kN·m

将壁厚拟定为400mm (HB /12)，按C25砼查表, 支座外侧采用 φ16@150，按强度和裂缝宽度控制的弯矩最大值分别为139、115 kN ·m ，分别＞127.6、99.4 kN·m ，满足要求。配筋率为0.37%，较合适。

跨中内侧选用φ14@150，弯矩值满足要求。此时厚度已定，因弯矩较小，应在满足最小配筋率的前提下采用较小配筋。

上述为在池外水、土及地面荷载作用下的计算，还应进行在池内水压力作用下、而池外仅有土压力作用下的计算。

此时，强度计算的池外土压力荷载分项系数取1.0。

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两种压力产生的弯矩值：

支座基本组合弯矩值:

M=M w ×1.27- Ms ×1.0=31.3 kN·m

支座准永久组合弯矩值: M q = Mw - Ms =17 kN·m

跨中基本组合弯矩值:

M= Mw

×1.27- Ms ×1.0=9.9 kN·m

跨中准永久组合弯矩值: M q = Mw - Ms =4.2 kN·m

池壁内侧选配的φ14@150能满足本工况支座弯矩要求，外侧选配的φ16@150更能满足本工况跨中弯矩要求。

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