陳佳文 廖一天 劉道樺

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

國內(nèi)建成的和在建的大型水池中,尤其是水池池壁,地板等,滲漏是最常見的病害之一,產(chǎn)生滲漏的主要原因在于伸縮縫和裂縫.滲水促使水池墻體發(fā)生表面侵蝕以及內(nèi)部溶蝕毀壞,降低水池墻體強(qiáng)度.設(shè)置伸縮縫是控制水池墻體收縮與溫度裂縫的傳統(tǒng)手段,在適當(dāng)部位設(shè)置伸縮縫,是能夠做到有效控制收縮與溫度裂縫的[1],但因為國內(nèi)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[2]提供的伸縮間距取值規(guī)范相對原則化,這給水池墻體的設(shè)計制造了不少的障礙和隨意性,從而導(dǎo)致伸縮縫的應(yīng)用效果不盡人意.

在20世紀(jì)70年代,我國就有很多人對溫度應(yīng)力作用下大體積混凝土的縫隙進(jìn)行了研究,朱伯芳等人根據(jù)溫度場理論采取有限元法計算溫度應(yīng)力,通過控制溫度來防止裂縫[3].大體積混凝土的裂縫控制措施方面王鐵夢也對此進(jìn)行了深入研究.為了更好地保證水池建成后墻體的防滲能力,本文通過已有的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范,采用數(shù)值計算的方法和三維有限元法相結(jié)合的研究方案,對施工期間水池墻體的分縫進(jìn)行研究,同時對分縫后施工縫與伸縮縫的防水處理進(jìn)行分析.

2 數(shù)值計算方法與防滲措施

2.1 數(shù)值計算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)中給的標(biāo)準(zhǔn):地上式以及半地下式的鋼筋混凝土大型水池,伸縮縫的最大間距是15～20m;而地下式的鋼筋混凝土大型水池,伸縮縫的最大間距是25～30m[4].

為了更加精準(zhǔn)地確定水池墻體滿足防滲要求的最大分縫長度,根據(jù)溫度裂縫的計算原理計算墻體的伸縮縫間距,參照鋼筋混疑土大型水池溫度應(yīng)力計算的公式[5]:

式中,H為水池壁板或墻體的計算厚度或高度;E為墻體所用混凝土的彈性模量,彈性模量E可以根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)[4]查得;Cx為水池地基對墻體混凝土的約束系數(shù),Cx值可以根據(jù)文獻(xiàn)[5]獲得;εp為水池墻體混凝土的極限拉伸,εp根據(jù)文獻(xiàn)[4]確定;α為墻體混凝土的線脹系數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)[4],混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時,當(dāng)溫度在0～100℃范圍內(nèi)時,線性膨脹系數(shù)為0.000 01/℃.

T為綜合溫差,T=T1+T2,T1為墻體混凝土水化熱最高溫度和環(huán)境平均氣溫之差,T2為墻體混凝土收縮當(dāng)量溫差,根據(jù)文獻(xiàn)[5],T2可以由公式求得,其中M為非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù),M=M1×M2×…×Mn,可以由參數(shù)文獻(xiàn)中查取,也可按經(jīng)驗取1.15～1.35;t為完工后至注水使用時的天數(shù).

2.2 縫的防滲措施

對于施工縫與伸縮縫之間的止水結(jié)構(gòu),水池墻體豎向施工縫止水結(jié)構(gòu)主要有外部防水貼、中部止水帶、膨脹止水條以及內(nèi)邊防水貼,水池墻體伸縮縫止水結(jié)構(gòu)主要有密封膠、內(nèi)部止水帶、填充板、傳力桿、頂帽、粘貼膜和彈性連接膜.

對于施工縫與伸縮縫之間的模板安裝,施工縫模板安裝順序為:先安裝Hy-Rib模板,再采用方木布在Hy-rib后面作為豎肋,然后用連接器連接橫肋與墻體側(cè)模的雙槽鋼.伸縮縫端模采用普通膠合板,止水與端部模板同步安裝.

3 工程實例

3.1 工程概況

卡塔爾地處亞洲西部的波斯灣西北方向,該區(qū)域炎熱干燥,屬熱帶沙漠氣候,且水池修建位置處臨海環(huán)境,對建筑物有強(qiáng)侵蝕作用.高溫季節(jié)出現(xiàn)在4～11月,最高氣溫為46℃,最高月的平均氣溫為34.7℃;低溫季節(jié)出現(xiàn)在12月至第二年3月,該季節(jié)氣候溫和、干燥少雨,日間最高氣溫仍然高達(dá)35℃,最低氣溫為7℃,溫差為22～28℃,晝夜溫差較大.該水池為長方形,凈空尺寸305 m×150 m×11.2 m,容積約36萬m3.所筑池壁厚0.6～1.2 m,導(dǎo)流墻厚0.4 m、分隔墻厚0.6～1.2 m.詳細(xì)工程量見表1.

表1 水池工程量

3.2 數(shù)值計算

3.2.1 參數(shù)的選取

該工程為單池長方形,澆筑時采用的混凝土強(qiáng)度等級為C40,混凝土粗骨料是輝長巖人工骨料,最大粒徑為20 mm,混凝土配合比設(shè)計見表2.由現(xiàn)場實驗測得的混凝土水化熱最高溫度為62.5℃,混凝土水化熱見表3,根據(jù)卡塔爾當(dāng)?shù)?962～1992年的氣象資料顯示年平均氣溫為26.7℃,多年平均氣溫見表4.水池澆筑方式為先澆筑池底,然后再澆筑池壁、導(dǎo)流墻和分隔墻.其數(shù)值計算的物理參數(shù)見表5.

表2 混凝土配合比設(shè)計

表3 混凝土水化熱試驗

表4 當(dāng)?shù)囟嗄隁夂蛸Y料

表5 數(shù)值計算物理參數(shù)表

3.2.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

1)通過以上參數(shù)可以得出裂縫的最大間距為:

為保證水池結(jié)構(gòu)安全,設(shè)置伸縮縫的最大間距應(yīng)小于或等于Lmax=24 751.8 mm=24.751 8 m.同時可以看出,①當(dāng)阻力系數(shù)降低時,伸縮縫的間距就增大,池壁單次澆筑混凝土長度也就更長.②溫差和收縮的相差增大時,池壁伸縮縫的最大間距就減小,相差減小,伸縮縫的間距增大.

2)伸縮縫設(shè)置間距增大可以減少分縫數(shù)量,就極大地減少了對伸縮縫處理的工程量,從而降低了施工難度,加快了施工進(jìn)度.經(jīng)由以上分析可以得到,水池澆筑時,為了保證水池的防滲能力,不出現(xiàn)溫度裂縫,只要澆筑長度小于24.751 8 m即可.

3.3 有限元仿真模型

3.3.1 模型建立

選擇三維有限元軟件建立水池仿真模型,根據(jù)現(xiàn)場所獲資料定義相關(guān)參數(shù),以上面計算所得的池壁伸縮縫間距作為水池模型分縫長度的依據(jù),建立三維有限元模型.模型建立選用的邊界條件為水池頂板厚度為0.35 m,柱頂附近為0.6 m;池壁厚度0.6～1.2 m,導(dǎo)流墻厚度0.4 m、分隔墻厚度0.6～1.2 m;設(shè)立直徑為0.6 m;水池池壁在豎直方向分二層,單層高度是5.6 m,水平方向分縫長度設(shè)置為24.75 m;底板厚度中間塊為0.6 m,柱底附近為0.9 m,墻腳附近為1.2 m.其他各參數(shù)取值見表6.

表6 水池的基本設(shè)計資料

圖1 水池三維有限元模型

3.3.2 仿真模型結(jié)果分析

在池壁伸縮縫設(shè)置為24.75 m的情況下,池壁整體溫度應(yīng)力值滿足C40混凝土的抗裂要求,水池沉降值為37.7 mm,基底控制壓力[6]:pk=(446 109.45+0.00)/9 382.99=48 k Pa＜fa=100 k Pa.通過有限元軟件建立的水池模型可以得出,本水池墻體澆筑時所產(chǎn)生的裂縫,其寬度的最大值僅為0.25 mm,而鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定裂縫限制值也為0.25 mm[7],因此該水池模型設(shè)計的分縫間隔長度24.75 m符合規(guī)范要求,同時也證明了數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性以及計算參數(shù)選取的合理性,為同類型水池墻體澆筑長度的設(shè)計提供了一定的借鑒意義.同時對相同邊界條件下的不同分縫長度進(jìn)行了計算,得出了不同分縫長度下墻體的裂縫寬度,結(jié)果顯示裂縫寬度隨著分縫長度的增加而增加.軟件模擬結(jié)果云圖如圖2所示,不同澆筑長度下裂縫寬度表見表7,裂縫寬度隨著分縫長度變化的規(guī)律如圖3所示.

圖2 墻體有限元計算結(jié)果圖

圖3 墻體分縫長度與裂縫寬度關(guān)系圖

4 施工中的防水處理

前面通過數(shù)值計算以及有限元仿真建模確定墻體最大澆筑長度,從溫度裂縫的角度考慮了水池墻體的防滲措施,但對于水池而言,水池墻體澆筑時施工縫的處理同時也極大的影響著工程完工后的防水能力,施工縫施工質(zhì)量的優(yōu)劣,將對水池防滲能力的強(qiáng)弱有關(guān)鍵性的影響.

4.1 止水的安裝

4.1.1 施工縫止水結(jié)構(gòu)

在施工縫中最常見的防滲形式就是縫中設(shè)止水帶.在本工程中,考慮到水池中存水量較大,水池凈空尺寸305 m×150 m×11.2 m,容積約36萬m3.因此對水池施工的縫的防水措施也進(jìn)行了優(yōu)化,而不是簡單的設(shè)置止水帶來止水.

水池施工縫止水結(jié)構(gòu),外部設(shè)置有防水貼、在防水貼里面設(shè)置有橡膠止水帶和膨脹止水條,同時墻體內(nèi)邊也設(shè)置有防水貼.這種外部雙層防水貼加止水帶和止水條的組合,相對單一的止水帶防水能力更好,能更好的保證水池運(yùn)行后墻體的防滲能力.具體的止水結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 施工縫止水結(jié)構(gòu)圖

4.1.2 伸縮縫止水結(jié)構(gòu)

伸縮縫止水結(jié)構(gòu)與施工縫大體相同,伸縮縫中采用可壓縮的填料板;墻體兩邊外部材料主要采用的密封膠,密封膠的里面選用兩根一端帶有套筒的傳力桿,傳力桿的一端安裝有可壓縮性材料的頂帽;兩根傳立桿的中間是止水帶.在水池墻體里邊與水接觸的一面,在填料板的外面在添加一層粘貼膜,粘貼膜的外面在附帶一層彈性連接膜.止水結(jié)構(gòu)從外到里依次為彈性連接膜-粘貼膜-密封膠-傳力桿-止水帶.具體的止水結(jié)構(gòu)布置方式如圖5所示.

圖5 伸縮縫止水結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 墻體端模(Hy-Rib模板)安裝

水池施工縫處模板安裝質(zhì)量的好壞,直接影響混凝土的澆筑質(zhì)量[7].同時模板安裝的好壞也影響到水池完工后運(yùn)行期間墻體的防滲功能.因此為了保證水池墻體的防滲性能,本處對模板的安裝方式進(jìn)行了優(yōu)化.

4.2.1 施工縫端模安裝

施工縫模板安裝時,將Hy-rib鋼板網(wǎng)模板按縱向鋼筋間距開孔,然后將Hy-rib鋼板網(wǎng)模板插入縱向鋼筋進(jìn)行安裝.Hy-rib安裝完成后,再用90*90mm方木滿布在Hy-rib后面作為豎肋,然后再選取用于連接雙槽鋼的連接器,作為橫肋與墻體側(cè)模的雙槽鋼連接,用以加強(qiáng)固定模板以及支撐模板,安裝示意圖如圖6所示.

圖6 墻體施工縫端模安裝圖

4.2.2 伸縮縫端模板安裝

伸縮縫端模采用普通膠合板,止水與端部模板同步安裝.將填料板與普通膠合板以內(nèi)部止水帶為分割線,分兩段安裝.先安裝填料板,然后在填料板外部安裝普通膠合板.一半填料板和普通膠合板安裝完成后在安裝中間止水帶,然后再安裝另一半填料板和普通膠合板.Hy-rib安裝完成后,再用90*90 mm方木滿布在普通膠合板后面作為豎肋,然后再用連接器將橫肋與墻體側(cè)模連接,加固支撐模板,安裝示意圖如圖7所示.

4.2.3 優(yōu)化的結(jié)果

圖7 伸縮縫端模與止水安裝圖

這種止水與端部模板同步安裝的方法,與傳統(tǒng)的模板安裝方案相比,極大地加快了模板安裝的進(jìn)度,同時里面安裝填料板與外面在安裝普通膠合板的組合,更能保證模板的平整與穩(wěn)定,最后選用雙槽鋼做成的連接器相比普通的模板安裝方式更加有利于模板的固定,同時施工過程更加簡便.

5 結(jié) 論

1)采用溫度裂縫的計算公式和有限元軟件結(jié)合的方法得出了水池墻體的最大分縫長度為24.75 m.

2)在滿足裂縫寬度限定值的前提下,最大分縫寬度為24.75 m,裂縫寬度隨著分縫長度的增加不斷增加.

3)止水結(jié)構(gòu)優(yōu)化后防水能力更好,止水與端模同步安裝的方法,加快了施工進(jìn)度,填料板與膠合板的組合,更能保證模板的平整,簡便施工.

[1] 李富民,孟少平.鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)伸縮縫間距計算[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005(3):274-278.

[2] GB 50069-2002,給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[3] 李來軍.混凝土早期非結(jié)構(gòu)性裂縫的分析與控制[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[4] GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[5] 王鐵夢.建筑物的裂縫控制[M].上海:上海科技出版社,1987.

[6] CECS 138:2002.給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[7] 李學(xué)春.水池工程施工縫的施工[J].山西建筑,2017(28):1-2.