水池池壁內(nèi)外溫（濕）差影響分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳佳文 明 明 魏港超

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

鋼筋混凝土水池如今廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)與生活中，在水的收集、處理與供給方面發(fā)揮著巨大的作用。 身為鋼筋混凝土的水池除了自身承受來自池內(nèi)動(dòng)（靜）水壓力以及池壁外側(cè)的土壓力外，溫（濕）差的作用同樣也對(duì)水池池壁的影響很大，特別是在熱帶沙漠氣候的地區(qū)，夏季晝夜溫差相差巨大，溫（濕）差對(duì)水池結(jié)構(gòu)的影響將尤為突出。溫（濕）差的影響主要是水池池壁內(nèi)側(cè)溫（濕）度和水池池壁外側(cè)空氣溫（濕）度的不同產(chǎn)生的水池壁面應(yīng)力。

水池的施工過程中，對(duì)澆筑模塊之間的伸縮縫處理耗時(shí)且麻煩，因此在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該該結(jié)合水池的類型和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，確定最長(zhǎng)的模塊澆筑長(zhǎng)度，這樣使得池壁伸縮縫的數(shù)量最低，也加快了施工進(jìn)度。因此，本文選取某一工程，建立水池有限元模型，利用軟件對(duì)水池池壁計(jì)算分析，求得在熱帶沙漠沿海地區(qū)極限溫（濕）差條件下的最長(zhǎng)澆筑長(zhǎng)度以及探求不同溫（濕）差對(duì)澆筑長(zhǎng)度的影響規(guī)律。

1 工程概況

以熱帶沙漠氣候地區(qū)某一個(gè)大型水池為例，該水 池為鋼筋混凝土地上式結(jié)構(gòu)，設(shè)置頂板。水池整體尺寸長(zhǎng)151.2m，寬93m，池壁高度11.2m（未考慮底板和頂板的厚度）、厚度1.2m，整個(gè)水池池壁位于地上，地板厚0.6m，底板頂部水平與地表，地基下面的回填料是C20 素混凝土，深度6m,在計(jì)算中可以不考慮地基沉降對(duì)池壁的影響[1]，水池頂板厚度0.3m，水池內(nèi)部每隔7.2x6.2 建立一個(gè)直徑為0.6m 的支撐圓柱，水池整體采用C40 混凝土[2]。該地區(qū)夏季極端干、熱，日平均氣溫極高，冬季則較低，晝夜溫差很大，而且緊鄰海岸線，建筑物受濕度的影響也比較大。

2 溫（濕）差研究分析

水池池壁對(duì)于溫度的影響，在水池池壁內(nèi)外溫度不一樣的情況下，依據(jù)混凝土的熱脹冷縮性質(zhì)，溫度較高一側(cè)的池壁混凝土將會(huì)膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，而溫度相對(duì)較低的另一側(cè)池壁混凝土將會(huì)收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力。池壁對(duì)于濕度方面的影響，按照混凝土的性質(zhì)濕脹干縮，試驗(yàn)研究分析表明，水池池壁中的水分會(huì)向溫度較低的一面池壁聚集，聚集的那方混凝土潮濕，池壁膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，另一面混凝土相對(duì)干燥將會(huì)收縮形成拉應(yīng)力。依據(jù)以上分析，溫度與濕度對(duì)于池壁受力作用影響類似。

當(dāng)水池蓄水時(shí)，對(duì)于最具有代表性的兩個(gè)季節(jié)夏季和冬季。夏季，白天時(shí)候水池池壁溫度外側(cè)高于內(nèi)側(cè)，水分子向池壁內(nèi)側(cè)聚集，內(nèi)側(cè)應(yīng)溫度較低冷縮和濕度較高濕脹相互抵消;晚上水池內(nèi)外側(cè)溫度接近，溫差忽略，只有濕差產(chǎn)生的應(yīng)力存在。冬季，外界溫度低于水溫，水分子向池壁外側(cè)聚集，應(yīng)水池內(nèi)部裝水，導(dǎo)致池壁內(nèi)外濕度相近，因此可以不考慮濕度效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)水池的影響，所以冬天只考慮溫差應(yīng)力對(duì)池壁影響。

按照,對(duì)于鋼筋混凝土地上式水池，池壁暴露在大氣中，水池池壁壁面的溫差的求得，應(yīng)該按照下式計(jì)算[3]：

TN——池壁內(nèi)側(cè)水的計(jì)算溫度（℃），按年低月的平均水溫采用，依據(jù)該地區(qū)氣候取240C；

TA——池壁外側(cè)的大氣溫度（℃），按當(dāng)?shù)啬甑驮碌慕y(tǒng)計(jì)平均溫度采用，依據(jù)該地區(qū)氣候取70C；

根據(jù)計(jì)算可以得到池壁內(nèi)外最大溫差為15.840C，對(duì)于暴露在大氣中的水池池壁的壁面濕度當(dāng)量溫差可按10℃采用。二者取最大值，將15.84（取整160C）作為池壁內(nèi)外溫差的計(jì)算溫度。

3 模型建立與結(jié)果分析

3.1 模型建立

依據(jù)水池設(shè)計(jì)，在水池結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中依次完成工程設(shè)置、水池地板池壁頂板等布置、荷載的添加與地基基礎(chǔ)的輸入建立起立體的水池三維模型。如圖1、2。

圖1 三維模型圖

3.2 池壁澆筑長(zhǎng)度

水池施工過程中，對(duì)兩個(gè)澆筑單位模塊之間的伸縮縫處理工序復(fù)雜，為了減少對(duì)伸縮縫的處理個(gè)數(shù)，應(yīng)使得澆筑單元模塊在極限溫（濕）差條件下最長(zhǎng)?？傻?，矩形構(gòu)筑物的所設(shè)伸縮縫最大間距，對(duì)于有保溫措施的鋼筋混凝土池壁為30m。澆筑長(zhǎng)度依次從20m 到30m 每次增加1m 建立三維模型，在模型的建立過程中，因?yàn)樗卣w長(zhǎng)寬一定，在劃分澆筑模塊過程中，水池池壁4 個(gè)面都會(huì)出現(xiàn)半個(gè)澆筑單元（澆筑長(zhǎng)度小于或遠(yuǎn)小于一個(gè)澆筑單元）。在對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，半個(gè)澆筑單元放在長(zhǎng)壁面和寬壁面的最末端往往比放在中間影響大得多。因此，為了具有對(duì)比性，半個(gè)澆筑長(zhǎng)度統(tǒng)一放在水池長(zhǎng)壁面和寬壁面的倒數(shù)第二個(gè)單元澆筑位置。

圖2 水池池壁伸縮縫布置圖

3.3 計(jì)算與結(jié)果分析

建模建立好以后，對(duì)水池采用有限元方法計(jì)算內(nèi)力，對(duì)于計(jì)算輸出結(jié)果，主要依據(jù)池壁模塊受力產(chǎn)生縫隙的寬度和邊緣應(yīng)力這兩個(gè)指標(biāo)鑒定澆筑模塊長(zhǎng)度是否合理。對(duì)于裂縫寬度的要求，因?yàn)楸竟こ淌乔逅?，最大裂縫寬度[4]限值取0.25mm；對(duì)于邊緣應(yīng)力，依據(jù)軟件得出結(jié)果，最大取2.079MPa。

最終確定，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?，在極限溫（濕）差取16℃的時(shí)候，水池池壁最長(zhǎng)澆筑長(zhǎng)度為28.8m。為了具有對(duì)比性，取澆筑長(zhǎng)度28.9m 的水池模型與其進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

依據(jù)表1 中數(shù)據(jù)，可以清楚看出，兩個(gè)三維模型都是池壁外側(cè)的邊緣應(yīng)力遠(yuǎn)大于池壁內(nèi)側(cè)應(yīng)力，澆筑長(zhǎng)度28.9m 的三維模型，池壁外側(cè)受力產(chǎn)生的裂縫達(dá)到0.53mm，超過了設(shè)定的0.25mm 的極限[5]。依據(jù)三維模型可以得出，不符合規(guī)范的模塊主要在半個(gè)澆筑單元位置。

表1 模型數(shù)據(jù)對(duì)比

為了消除半個(gè)澆筑單元對(duì)水池整體的影響，找到溫（濕）差變化對(duì)澆筑長(zhǎng)度的影響關(guān)系，依據(jù)原有工程概況，將水池長(zhǎng)壁面調(diào)整為五個(gè)單元澆筑長(zhǎng)度，水池的寬壁面調(diào)整為三個(gè)單元澆筑長(zhǎng)度，水池其他尺寸比如池壁高度、池壁厚度與荷載的添加等控制不變，將澆筑單元長(zhǎng)度由30m 依次遞減2m 最后到8m,計(jì)算不同模型下所可以適應(yīng)的極限溫（濕）差，可以得到如圖3數(shù)據(jù)：

圖3 溫（濕）差與澆筑單元長(zhǎng)度曲線

曲線圖可以看出，在澆筑單元池壁長(zhǎng)度大于12m 時(shí)候，隨著澆筑單元長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，水池整體所能適應(yīng)的極限溫（濕）差會(huì)得到提高，在澆筑尺寸小于12m 時(shí)候，隨著澆筑單元的長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，變化趨勢(shì)與之前的相反，變化幅度更加大，24.8℃是整個(gè)三維模型各個(gè)澆筑尺寸所能承受溫度的下限。整個(gè)圖形可以看出，當(dāng)溫差在24.8℃到25℃變化0.2℃時(shí)候，對(duì)水池池壁的影響區(qū)間為12m 到20m 長(zhǎng)達(dá)八米的范圍。但池壁澆筑單元在8m 到12m 時(shí)，變化溫差由27.7℃到24.8℃，變化溫度接近3℃。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)熱帶沙漠地區(qū)氣候進(jìn)行分析得到最大溫（濕）差，采用有限元的方法進(jìn)行建模計(jì)算，得到溫（濕）差在16℃澆筑長(zhǎng)度為28.8m。同時(shí)在澆筑過程中存在半個(gè)澆筑單元，此澆筑段所在壁面的位置對(duì)水池整體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力和壁面裂縫寬度也有很大影響，應(yīng)該在設(shè)計(jì)過程中對(duì)半個(gè)澆筑單元的控制，做到減少或沒有。采用特定澆筑模塊數(shù)量進(jìn)行建模，從圖3 可以清楚看出，在不同澆筑區(qū)間內(nèi)，溫度的跳動(dòng)范圍也比較大。此模型雖然不能反映溫差與澆筑單元長(zhǎng)度的整體關(guān)系，但對(duì)于此種類似的工程具有參考作用，具有一定的實(shí)用價(jià)值。