钢筋混凝土矩形水池作为常见的特种结构类型
矩形钢筋混凝土水池的结构分析与设计
Civil Engineering and Mechanics College Structural Engineering Building and civil engineering Master Xiangtan University May, 2015
湘潭大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。
学校代码 分 类 号
10530 TU911
学 密
号 级
201230131836 公 开
硕 士 学 位 论 文
矩形钢筋混凝土水池的结构分析 与设计
学 位 申 请 人 指 学 学 研 导 院 科 究 教 名 专 方 师 称 业 向
王昌前 陈 俊 副教授
土木工程与力学学院 建筑与土木工程 结构工程
二零一五年五月
Rectangular reinforced concrete structure analysis and design of the pool
Candidate Supervisor College Program Specialization Degree University Date
Wang Changqian Associate Professor Chen Jun
II
(3) Based on the analysis of the structure of the four pools wall moment analysis ,the result shows that: the level of the maximum bending moment at the corner area and large amplitude, the vertical portion of the maximum bending moment in the middle of the pool. District level corner Moment big small; small great moment on the vertical. Analysis based on simulation results obtained, pool structurally weak part in the use of state is on a qualitative description of the wall by the force of matches in corners and the middle portion of the base wall, this part of the conclusions and "Tank Manual". (4) The applicability of structural schemes was analyzed referring to the practical backgroud of engineering.Besides,by statistical anaysis of the amount of steel and concrete, comparative economic advantages and disadvantages of each basin plan, construction is economical and reasonable pool, so as to achieve the purpose of reducing investment. This paper has long been engaged in water and wastewater engineering design staff in the use of modern means of numerical calculation of reinforced concrete rectangular pool complex stress analysis, it may play a role of reference and edification. Keywords: pool; structural scheme; finite element; MIDAS/Gen; optimal design
钢筋混凝土水池结构设计
钢筋混凝土水池结构设计【摘要】水池是城市工业与民用供水工程的自来水厂、污水处理厂、生活用水设施最为常见的构筑物之一。
这类结构由于经常贮水或深埋地下，除了在结构的构造上需特别加强外，同时要求有较高的强度和良好的抗渗性和耐久性，以保证结构长期正常使用。
钢筋混凝土修建的水池具有造价较低，耐久性好，维修费用少，整体性好，防水性好等优点，被市政工程广泛采用。
本文针对钢筋混凝土水池的结构设计进行了论述。
【关键词】钢筋混凝土水池；结构设计钢筋混凝土水池一般分为两类，一类是废水处理净化池，比如：初沉池，沉砂池、氧化沟、配水池等；另一类是贮水池，比如：水池、水箱、水塔等。
前一类池的类型与设计主要由工艺设计特点决定，后一类池的形状、容量等由工艺、结构特点、经济性和施工条件决定。
从平面形状上分水池常用的平面形状为圆形或矩形，其池体结构由池壁、顶盖和底板三部分组成。
从工艺角度上分有顶盖和无顶盖之分，即封闭式水池和开敞式水池。
一、钢筋混凝土水池整体结构形式设计时是否选用矩形水池或圆形水池，要结合场地情况、工艺要求、经济性等方面的因素综合考虑。
就场地环境来讲，矩形水池对场地的适应性强，尤其大型水池和狭长地带建造水池对节约土地和少开挖土方量都有意义。
通过经济分析比较得知，就每立方米容量的造价、水泥用量和钢材用量等经济性指标随容量的增大而降低，但容积超过3000m3时，矩形水池的各项经济指标基本趋于稳定。
二、钢筋混凝土水池各部构件形式（一）顶盖形式一般可分为球形壳（锥壳）与平顶两大类。
平顶又可分为梁板式和无梁楼盖式。
从工程实践中可知，壳顶虽较平顶节省材料，但施工技术复杂，费用较大，其总造价与平顶的接近。
因此，除了大型圆水池采用壳顶外，中、小型水池多用平顶型式。
水池的平面形状、结构形式的不同，可采用矩形板、圆形板、有一个中心柱的圆板及无梁楼盖等。
（二）支座环梁：由组合壳体组成的给、排水构筑物在其连接处常设置有环梁，用以承受环向推力。
基于Sap2000的双格混凝土矩形水池壁板受力分析
基于Sap2000的双格混凝土矩形水池壁板受力分析摘要：钢筋混凝土矩形水池结构是给水厂站中常用的贮水构筑物形式。
为考虑双格水池结构的壁板受力形式，采用Sap2000有限元软件对某实际工程的双格水池进行分析。
为探讨内力分布规律，分析了双格水池中间壁板位置分别位于总跨度1/2、1/3位置处壁板的轴力、弯矩的分布形式，并据此提出了双格矩形水池的壁板设计建议。
关键词：双格矩形水池；有限元分析；内力分布钢筋混凝土水池结构是给水厂站中常用的构筑物结构形式。
其中，双格水池结构用途广泛，可用于进水井、泵房吸水井、平衡池和一些小型的贮液池等。
双格水池结构主要由底板、顶板、侧壁和中间分隔板及配套的附属结构如走道板组成。
池壁结构在简化设计中通常根据不同的设计工况采用考虑支座条件的单块板或截条法进行设计，《给水排水钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS138:2002）对矩形水池在静力计算中的壁板边界条件做出了规定。
随着水池尺度的增大，简化计算方法经常会导致内力计算不准确和配筋异常的情况发生，因此随着三维有限元软件的普及，有必要考虑结构整体效应，并根据池壁的整体受力和内力进行分析。
此外双格水池作为多格水池计算的基础，在设计中需考虑多种工况，如内水外空、内空外土、一格有水一格无水等多种工况，因此深入研究典型工况下的双格水池壁板内力对于水池结构的安全设计有重要的参考意义。
现有研究中对于钢筋混凝土结构双格水池研究较少，吴晨旭[1]根据某工程V 型滤池探讨了内水压力和温度荷载下的多格滤池的结构内力，并分析了存在非齐顶隔墙时的内力分布;陈成等[2]使用盈建科结构设计软件分析了某复杂污水泵站地下结构的设计，并介绍了施工图设计要点；此外，在《给水排水工程结构设计手册》（第二版）[3]中，也对双格水池及池格更多的多格水池介绍了结构简化设计方法。
虽然已有研究介绍了多格水池设计要点和内力分布规律，但尚未有专门针对双格水池的壁板内力分布进行研究。
钢筋混凝土水池设计
9.1.3 水池池壁厚度
给排水工程中的水池分类：
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、施工条件等因素来确定。
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。
K a ----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1/3~1/4；
q k ----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； hs,h2,Hn ----分别为池顶覆土厚、顶板厚和池壁净高；
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较弱时，贮水池的 底板通常作成整体式反无梁底板。
钢筋混凝土水池结构设计要点探讨
钢筋混凝土水池结构设计要点探讨作者：张茂诚来源：《建筑工程技术与设计》2014年第31期【摘要】钢筋混凝土水池由于具有抗裂抗渗性好、容量大和牢固耐用等特点，是给排水结构设计中重要的组成部分。
文章结合笔者的工作实践，主要简要地阐述了水池的分类及特点，从而进一步针对钢筋混凝土水池结构设计要点进行了总结与分析，最后提出了土建与水工艺、设计与施工间的配合，仅供参考。
【关键词】钢筋混凝土；水池结构；分类；设计钢筋混凝土水池结构作用是储水以及各种液体的构筑物，是特种结构的一种。
在工业建筑中应用很广，如浓缩池、沉淀池和污水池等。
在民用建筑中通常也是必须要有的附属设施，如消防水池、屋顶的供水池等。
本文结合自身的工作总结，主要就钢筋混凝土水池结构设计要点进行了研究。
1 水池的分类及特点1.1按施工方法分类（1）现浇钢筋混凝土水池。
施工技术和施工工序都相对简单，这个方式应用比较多；（2）装配式钢筋混凝土水池。
因为混凝土干缩在预制过程当中就已结束，故能减少混凝土出现早期裂缝，同时能加快施工进度。
1.2按施工材料来分（1）钢筋混凝土水池。
特别适合体积大、抗裂和抗渗性能要求比较高的水池；（2）砖石水池。
就地取材方便，适合地基条件较好、体积小、没有抗渗和抗裂要求或要求较低的水池。
1.3按形状来分（1）矩形水池：占地小，施工也很方便。
小型水池适合使用矩形水池，当液体深度较浅时，大中型水池也可使用矩形水池；（2）圆形水池：受力均匀合理。
大中型水池由于受力很大，应该使用圆形水池。
1.4按安放位置来分可分为地下、半地下和地上水池。
地下水池与半地下水池受外界温度影响很小，因此而影响的应力也很小。
在水池的使用过程当中，因为水池竖壁外侧有泥土的存在，会形成土压力，所以能够抵消一部分水池内的液体压力，能使水池竖壁长期处于较小的应力状态；但是如果水池埋得过深，将会使水池的顶板和底板所承受的荷载增大，则会使材料量增大，费用也增加。
另外，地下水池和半地下水池的抗震性能较好。
经典课件：钢筋混凝土水池设计
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1.5 地下式、半地下式及地上式水池
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。
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。 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。
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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。北京市水源九厂一 期工程的调节水池，采用平面尺寸255.9m×90.9m、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。
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清水池布筋
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水解池底布筋
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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）
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集水坑施工图
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清水池施工图
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圆形水池施工图
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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。
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1.6 贮水池的顶盖和底板
• 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。
钢筋混凝土矩形水池构造设计
钢筋混凝土矩形水池构造设计本文以春风油田二号联合站建设工程中污水回收池构造设计为例，介绍了作用在水池上的主要荷载，开展了水池内力计算、地基承载力，提出了水池设计中值得注意的构造要求，为以后此类水池的构造设计提供了一定的参考。
1 引言钢筋混凝土矩形水池构造一般由池壁、底板和顶盖（是否封闭加盖由工艺需要决定）所组成。
水池按有无顶盖，可分为无顶盖的开敞式水池、有顶盖的封闭式水池和带走道板的半封闭式水池；按水池埋置情况，可分为全埋式、地下式、半地下式、地面式和架空式水池。
本文以春风油田二号联合站建设工程中污水回收及污泥浓缩池为例，简单介绍了水池的构造设计。
2 矩形水池构造设计2.1 水池主要荷载作用在水池上的主要荷载：（1）池顶荷载：作用在池顶上的荷载主要有顶板自重、防水层重、覆土重、活荷载和雪荷载。
其中活荷载和雪荷载不同时考虑，计算时取二者中的较大值[1]。
（2）池底荷载：池底荷载为底板所受的地基反力和地下水产生的浮力。
地基反力主要由以下几种荷载引起：①池顶活荷载qk；②池顶覆土荷载qs（根据实际计算确定qs值）；③池顶自重Gr、池壁自重Gw、及支柱自重Gc，取单位面积自重和。
（3）池壁荷载：作用在池壁上的荷载主要是水平方向的土压力和水压力。
池壁水压力按三角形分布，一般偏安全的按满池来计算。
池壁土压力按朗肯主动土压力理论计算。
2.2 水池内力计算2.2.1 水池资料本工程水池为半地上式水池，整体尺寸为18mX20m，池体高出地面0.45m，分五个区格，池深2.65m，局部3.55m。
池顶为预制混凝土盖板，池体混凝土采用C40、S8级抗渗混凝土，钢筋采用HRB400级，最外层钢筋混凝土保护层厚度，池体底板、池壁与池顶盖板均取50mm。
水池的内力计算主要包括池壁板、池底板和池顶板内力计算。
池顶为预制混凝土板，仅对池壁板与池底板开展计算。
2.2.2 池壁板计算开展池壁板的内力计算，首先确定池壁的边界条件，然后考虑“池内有水、池外无土”或“池内无水、池外有土”两种荷载工况开展计算。
水池 的种类和构造
水池水池的种类和构造水池的种类和构造，见表21-15。
水池的种类和构造表21-15水池种类水池形式构造要求砖砌圆形水池池壁厚370mm，用MU10红砖和M5水泥砂浆砌筑，在一定高度设置钢筋混凝土圈梁1~2道。
水池底板为钢筋混凝土；水池顶盖可用1/2或1/4砖、水泥砂浆砌薄壳；也可用预制六角形C20素混凝土块拼砌；还可以在中间加预制柱及曲梁，上盖预制扇形板顶盖外置预应力钢筋砖砌水池水池底板为钢筋混凝土，池壁用MU10红砖和M10水泥砂浆砌筑，壁内中部每隔1~1.5m设Φ16的垂直拉筋，沿圆周等距分布，把池壁与底、盖联成一个整体。
池壁内抹防水砂浆，池外壁垂直分布φ6@300钢筋，再设置双股正反向交替绞扭的预应力水平钢箍，抹水泥砂浆保护层现浇钢筋混凝土圆形水池池底及池壁均为现浇钢筋混凝土，强度等级不低于C20，池壁厚度为150~200mm。
池顶盖可以支模现浇，也可以将柱子、曲梁及顶盖扇形板预制，在池壁施工完成后进行池顶盖安装钢筋混凝土矩形水池全现浇矩形水池池壁厚度一般为300~500mm，池身较长时，应配置温度应力钢筋，设置“后浇缝”，增加“滑动层”和“压缩层”，在容易开裂部位设置“暗梁”装配式矩形水池池底板为现浇池壁做成L形壁板，厚150~250mm，池壁与池底的接头留在池底板上，接头宽度一般为400~500mm钢筋混凝土预制装配圆形水池水池底板及壁槽为现浇钢筋混凝土，强度等级不低于C20。
壁槽深度一般为250mm，池壁为180~250mm厚的预制板，宽度1~1.5m（弧形），两板接头侧面带凹形槽、用C40混凝土灌缝。
柱子、曲梁、扇形板均为预制安装，有时为了增强整体性，池顶盖也可采用现浇钢筋混凝土预应力钢筋混凝土水池水池底板及壁槽为现浇钢筋混凝土，强度等级一般不低于C20。
池壁可用150~200mm厚的预应力板或200~250mm厚的非预应力板，池顶构造同装配式水池。
但在池壁外侧增加水平方向的预应力钢丝或钢筋，喷涂40mm厚的水泥砂浆后涂刷防水涂料，顶板面上铺35~40mm厚的C20细石混凝土找平层，再铺二毡三油防水层21-3-2 水池施工方法21-3-2-1 砖砌圆形水池施工1．池壁与底板的结合砖壁与底板的连接处应注意结合好，因此在底板混凝土初凝之前，沿砖壁位置按设计要求尺寸将底板表面拉毛，同时铺砌一皮湿润的砖，嵌入深度2~3cm，并用1：2水泥砂浆灌缝，再砌几皮砖作为环梁的砖模，随即将环梁混凝土浇筑完毕。
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钢筋混凝土矩形水池作为常见的特种结构类型，被广范应用于工业与民用建筑的给水、污水、
消防工程中。因此在满足水工艺要求的前提下，既保证今后的正常生产使用，又降低工程造
价，是设计人员面临的主要任务。下面就设计中经常遇到的一些问题，提出几点看法。
1 荷载取值的问题
1.1 池内水压力。池内水压作为水池类构筑物的主要荷载。在设计过程中，应当偏于安
全的按满水高度来计算水压。这是因为：一方面使用过程中很可能由于值班人员疏忽或者存
在液位计等部件失灵而造成满池；另一方面今后工艺上有可能技术改造而超过原设计水位。
池内水压荷载的取值大小对于挡水墙式浅池的下端弯矩影响较大。
1.2 池外水浮力。当有地下水时，池壁外侧除考虑地下水的压力外，还应考虑地下水位
以下的土由于水的浮力使土的有效重度降低而对土压力的影响。同时，地下水对池体的浮托
力也不容小视。由于地下水位未掌握好而引起结构选型错误及抗浮不够等工程事故也时有发
生。地质勘察报告所提供的地下水位一般仅反映勘测期间的地下水位情况。如果详勘在当地
枯水期进行，所提供的地下水位标高将无法被设计取用，或导致结构计算的失误。根据实际
情况，结合地方水文资料，确定一个合适的地下水位标高做设计地下水位，做到既保证使用
阶段结构安全和不利情况抗浮安全，又能降低工程造价双赢的目的。笔者在设计黄骅港某水
厂设计大型清水池时，遇到了地下水位特别浅的问题。该水池采用无梁楼盖设计，在计算水
池抗浮过程中，还存在有局部抗浮的问题。设计过程中，覆土厚度增加到1.5m还不能满足
要求。这时候，考虑到是否考虑每年检修安排在冬季枯水位时，这样设计所采用的低地下水
位标高就能保证正常生产、检修，从而很好的解决了水池抗浮的问题。
1.3 温、湿度作用。由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺特殊要求以及季节变化
等，造成池壁产生膨胀或收缩。当变形受到约束时，在池体中产生相应的的温度和湿度变形
应力，很容易产生有害裂缝。设计时，对夏季应考虑湿差作用，对冬季应考虑温差作用。前
者低温收缩与湿涨抵消，后者由于外界气温低，池壁中水分向外移动，致使外侧湿度增加。
由于内外侧湿度相差不大，通常可以不考虑此时的湿差应力。但内外温差还在，冬季应考虑
壁面温差应力。在工程设计中按规程提供的方法计算。
2 水池壁板边界条件的分析
池体结构一般由池壁、底板和顶盖（是否封闭加盖由工艺需要决定）所组成。合理的选
择结构计算简图和计算公式才能保证结构设计的准确、可靠。水池内力分析计算时，尽量做
到边界条件的假定与实际情况相符。
当水池设有顶盖时，池壁顶端的边界条件应根据顶板与池壁的连接构造来确定。当池壁
线刚度为顶板线刚度的5倍以上时，可假设池壁顶端为铰支，否则应按弹性固定计算。而开
敞式水池的池壁边界条件可假定为三边支承，顶边自由的板。
比较两种边界条件假定的内力计算结果，设置顶盖的池壁所承受的弯矩要小很多。因此
当采用顶盖结构有困难时，应尽可能从池壁挑出走道板。走道板满足规程要求时，可以假定
为不动铰支承，否则可按照弹性支承计算。
池壁与底板整体浇筑时，也应根据两者的线刚度比确定池壁底端的边界条件。规程中规
定，底板的抗弯刚度10倍于池壁的抗弯刚度就可以满足作为嵌固端的要求。底板对池壁的
嵌固作用效应的程度与池壁高度有关，也与底板单位截条的弹性特征有关，而底板单位截条
的弹性特征又与底板的厚度、地基的基床系数有关，还与材料的弹性模量有关。规程规定，
当满足嵌固要求时，底板厚度选取为池壁厚度的1.2-1.5倍。当土质较好，比如密实性土壤
时采用1.2倍池壁厚度；当土质一般，比如中等密实性土壤时，采用1.5倍池壁厚度。
3 底板内力计算模式的选择
3.1 对于池体容积小，短跨尺寸在6m以内时，计算底板内力可以按地基反力直线分布
计算。一般情况下，直接作用于底板上的池内水重和底板自重与它们引起的那部分地基反力
直接抵消，而不产生弯曲应力。只有由池壁和池顶、支柱作用在底板上的力所引起的地基反
力才会使底板产生弯曲应力。当存在多格水池分格盛水时，地基反力可按照局部均布荷载下
的直线分布的原则计算。此时应分格满池最不利布置按照单向板或双向板进行静力结构计
算。
3.2 当池底为软土地基或板的跨度较大，根据上一种计算模式，不考虑弹性地基上的地
板在荷载作用下的弹性变形，也不顾及地基土的弹性沉陷。底板跨中的最大弯矩等于简支底
板的跨中弯矩加上池墙荷载底端的固端弯矩。按以上弯矩进行配筋，底板上表面的配筋很大，
下表面为构造配筋。有时底板上表面的配筋往往达到让人无法接受的程度。工程实际计算结
果，底板的内力（弯矩）上底板下表面内力大，配筋应该多，上表面除在纵墙附近处可为构
造配筋。因此，对于上述情况设计时，应采取单位截条，将构筑物内外墙作为集中力按弹性
地基梁进行内力分析。此时考虑地基变形影响，按文克尔假定或半无限弹性体假定计算，两
者均可以查表或软件计算。
4 构造措施
4.1 池壁、底板的受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距，尽可能采用采用HRB335
和RRB400级钢筋。水池各部位的钢筋间距应在100-250mm范围内。如果钢筋间距太密，
会影响混凝土振捣，而钢筋间距太大，容易产生裂缝。
4.2 “暗梁”、“暗柱”。现浇钢筋混凝土水池最容易在角隅处出现裂缝，因此必须在池壁
转角处、池壁与底板相交处设置“暗梁”、“暗柱”。
敞口水池顶端也宜配置水平向加强钢筋。根据规程第7.1.7条的规定要求，敞口水池在
温差或地基变形作用下池壁顶端是结构的薄弱点，宜设置暗梁，高度不得小于池壁厚度，内
外侧各配置不小于3？准16的受力水平钢筋。
4.3 在水池四周设散水坡，防止地面水渗入引起地基不均匀沉降。北方地区的沉淀池等
应做成封闭式，以防冬季水池上部结冰，发生冻胀水池的事故。