淺析壁面溫差對地面式圓形鋼筋混凝土水池池壁內(nèi)力的作用規(guī)律

摘? 要：考慮到圓形水池在承受內(nèi)壓時(shí)抗裂性能較差，本文通過圓柱殼理論和彎矩分配的計(jì)算方法，對整體式現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓形水池在不同壁面溫差下池壁的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壁面溫差對水池池壁內(nèi)力有著較大的影響，需設(shè)計(jì)人員予以高度重視。本文著重討論了在壁面溫差作用下，池壁內(nèi)力的分布規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：地面式圓形水池;池壁內(nèi)力;壁面溫差;

1 前言

近些年，為貫徹國家的各項(xiàng)建設(shè)方針和政策，滿足污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求，提高水環(huán)境質(zhì)量和功能目標(biāo)，諸多污水處理廠在此時(shí)代背景下應(yīng)運(yùn)而生。而在污水處理工程中，圓形鋼筋混凝土水池因其受力簡單、便于施工、耐久性好以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高等優(yōu)勢而應(yīng)用廣泛，是澄清池、初沉池和二沉池等水處理構(gòu)筑物首選的結(jié)構(gòu)形式。在對中、大型以及超大型圓形鋼筋混凝土水池進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及壁板內(nèi)力計(jì)算時(shí)，水池內(nèi)外的壁板溫差常因不具有實(shí)體性而沒有被設(shè)計(jì)人員引起足夠的重視，導(dǎo)致在實(shí)際工程中有一些水池在壁板內(nèi)外溫差變化較大時(shí)，產(chǎn)生難以預(yù)料的溫度應(yīng)力，致使壁板開裂，進(jìn)而局部的裂紋相互貫通，終造成滲漏，影響水池的正常使用。

本文運(yùn)用圓柱殼理論和彎矩分配法，對一近3000m3的地面式敞口圓形鋼筋混凝土整體式水池進(jìn)行內(nèi)力分析，著重研究池內(nèi)外壁面溫差對壁板內(nèi)力的影響規(guī)律。

2 溫度荷載對池壁的作用規(guī)律

本文所研究的圓形鋼筋混凝土水池是敞口的且為地面式，同時(shí)并未對外露池壁提供相應(yīng)的保溫條件。《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）規(guī)定在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，需考慮壁面溫差和濕度當(dāng)量溫差的作用，取兩者中的較大值進(jìn)行受力分析。因溫度變化和濕度變化對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律相似，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，常將濕差等效為當(dāng)量溫差來計(jì)算。

溫度變化對池壁結(jié)構(gòu)的作用可分為壁面溫差和中面溫差。外界氣溫的變化、池內(nèi)介質(zhì)的溫度變化以及混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生水化熱等情況都會(huì)引發(fā)混凝土的膨脹或者收縮，在限制溫度變形發(fā)展的同時(shí)就引發(fā)了溫度應(yīng)力。壁板兩側(cè)溫度的差異則會(huì)引發(fā)溫度較高的一側(cè)趨于膨脹，而另一側(cè)收縮。由于池壁結(jié)構(gòu)是一閉合的整體，在各向約束下，溫度較高的一側(cè)因膨脹不可自由發(fā)展而產(chǎn)生壓應(yīng)力，另一側(cè)因不能自由收縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力。同時(shí)，邊界條件對圓形水池池體的約束也會(huì)引發(fā)溫度應(yīng)力。總之，無論何時(shí)，溫度較低的那一側(cè)壁板都是受拉的。當(dāng)溫度應(yīng)力不斷發(fā)展至混凝土抗拉極限強(qiáng)度時(shí)，將致使池壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，隨后局部裂紋進(jìn)而發(fā)展成為貫通裂縫，終會(huì)造成水池的滲漏。所謂中面溫差，沿池壁厚度是恒定的，且由其產(chǎn)生的內(nèi)力效應(yīng)在荷載組合中并不起決定作用，故在設(shè)計(jì)時(shí)一般不予考慮。

3 工程概況

現(xiàn)以某污水處理廠一近3000m3的地面式圓形鋼筋混凝土敞口澄清池為例，分析討論在不同的壁面溫差下，對池壁內(nèi)力的影響及分布規(guī)律。該澄清池壁板高度5.011m，壁板厚度0.45m，澄清池內(nèi)徑13.25m，底板厚1m，為方便布置管線，將局部埋有管線的位置加厚至1.5m。澄清池內(nèi)設(shè)計(jì)水深為5m，滿水時(shí)為5.011m。池體外側(cè)回填土高度僅為0.1m，埋深非常淺，故本文僅考慮將池內(nèi)水壓、池體自重及壁面溫差相互組合的各種工況進(jìn)行受力分析。

4 壁板內(nèi)力計(jì)算原理

池壁在水平荷載作用下的受力條件通過水池壁板的計(jì)算高度H與圓柱殼的彈性特征系數(shù)S的比值來確定，其中r為圓柱殼的中線半徑，h為壁厚。

由于水池底板內(nèi)徑較大，本文考慮按照彈性地基上的鋼筋混凝土圓板對圓形水池底板進(jìn)行受力分析。同時(shí)，采用彎矩分配法計(jì)算池體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。

5 壁面溫差（?t）的計(jì)算

壁面溫差不單單是由池內(nèi)介質(zhì)溫度與池壁外側(cè)溫度相減而得。還與池壁厚度、混凝土壁板的導(dǎo)熱系數(shù)以及壁板與空氣的熱交換系數(shù)相關(guān)聯(lián)。對于無保溫措施的地面式鋼筋混凝土水池，壁面溫差可按下式計(jì)算獲得：

其中，λc和βc分別為混凝土壁板的導(dǎo)熱系數(shù)和混凝土壁板與壁板外大氣之間的熱交換系數(shù)，取λc=2.03，βc=23.26。TN和TA分別為壁板內(nèi)側(cè)介質(zhì)的溫度和壁板外側(cè)大氣的溫度，正負(fù)號可直接代入公式計(jì)算。在工業(yè)廢水去污處理時(shí)，水池內(nèi)介質(zhì)的溫度往往會(huì)相對較高。故在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，與上游環(huán)保專業(yè)確保池內(nèi)介質(zhì)的實(shí)際工作溫度是十分必要的。

6 池壁內(nèi)力的分布規(guī)律

為考察溫度荷載的作用效應(yīng)，以及不同溫差下壁板內(nèi)力的分布。本文共設(shè)計(jì)5種工況對比分析。分別為：

工況1 池內(nèi)水壓+自重;工況2 池內(nèi)水壓+自重+溫差（?t=10）;

工況3 池內(nèi)水壓+自重+溫差（?t=20）;工況4 池內(nèi)水壓+自重+溫差（?t=30）;工況5 池內(nèi)水壓+自重+溫差（?t=-10）。

現(xiàn)已工況3（?t=20℃）為例，分別對比結(jié)構(gòu)自重、池內(nèi)水壓和溫度荷載對池壁的內(nèi)力的作用效應(yīng)，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果如表1所示。對比發(fā)現(xiàn)，由溫度荷載引起的壁板各項(xiàng)內(nèi)力均遠(yuǎn)大于池內(nèi)水壓和自重的作用，所以壁面溫差對池體結(jié)構(gòu)內(nèi)力的作用是不可忽視的，且要引起足夠的重視。

由表2可知，僅考慮池內(nèi)水壓作用時(shí)，壁板上部外側(cè)豎向受拉，沿著壁板向下，豎向彎矩逐漸變大，在0.6H處達(dá)到最值，池外壁在底端受壓。當(dāng)同時(shí)考慮水壓與壁面溫差作用時(shí)，豎向彎矩從壁板頂部開始向池底逐漸增大，均為外側(cè)受拉，最大值約在壁板0.8H處。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)池壁內(nèi)介質(zhì)溫度高于池壁外側(cè)溫度時(shí)，溫差越大，壁板豎向彎矩越大，壁面溫差對壁板豎向彎矩的作用效應(yīng)明顯。當(dāng)池壁內(nèi)介質(zhì)溫度低于池壁外側(cè)溫度時(shí)，發(fā)現(xiàn)由溫差作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對豎向彎矩是有利的，故在設(shè)計(jì)時(shí)可不予考慮。

由表3可知，僅考慮池內(nèi)水壓作用時(shí)，池壁外側(cè)環(huán)向受拉，環(huán)向彎矩沿壁板從上至下逐漸變大，在底端為受壓狀態(tài)。同時(shí)考慮水壓與壁面溫差作用時(shí)，壁板微分體豎向截面上的環(huán)向彎矩Mθ使水池外壁水平向受拉，且沿壁板高度方向逐漸變大，但變化不大，在0.8H處達(dá)到最值。隨著壁面溫差的增大，環(huán)向彎矩也呈遞增的趨勢，相比豎向彎矩，環(huán)向彎矩隨溫差增大的變化幅度較大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，壁面溫差作用對截面環(huán)向彎矩的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于池內(nèi)水壓的作用。

由表4可知，無論在壁板內(nèi)水壓作用下還是水壓與溫度荷載同時(shí)作用時(shí)，池壁外側(cè)截面的環(huán)向力Nθ均為拉力。但不考慮溫度荷載時(shí)，環(huán)向力在壁板中部達(dá)到最值。考慮壁面溫差作用時(shí)，環(huán)向力Nθ在壁板頂端達(dá)到最大值，但沿壁板向下遞減，同時(shí)，在壁板中部，相同位置處的環(huán)向力隨壁面溫差的增大有減小的趨勢。根據(jù)環(huán)向力在壁板上的分布特點(diǎn)，對于敞口的圓形鋼筋混凝土水池，常在壁板頂端一定范圍內(nèi)加強(qiáng)。同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)由壁面溫差引起的環(huán)向力最值大大超過壁板內(nèi)水壓力的作用。

若在普通鋼筋混凝土水池的計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)環(huán)向彎矩與環(huán)向力非常大時(shí)，可考慮通過施加體外預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法來解決這一難題，以控制豎向裂縫的產(chǎn)生。

7 結(jié)論

由本文計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在無保溫措施的地面式敞口圓形鋼筋混凝土水池的受力分析中，壁板內(nèi)力的大小受壁面溫差?t的影響很大，大大超過了由池內(nèi)水壓及自重引起的各項(xiàng)內(nèi)力，對池壁的水平抗裂起決定性作用，且內(nèi)力最值多集中在0.6H～0.8H處，建議增加這部分的配筋率，需設(shè)計(jì)人員不斷的試算以選取合適的結(jié)構(gòu)方案。

在大部分污水處理工程中，均會(huì)面臨壁板內(nèi)外溫差過大的情況。經(jīng)上述計(jì)算分析，提出以下幾點(diǎn)建議以便改善今后的設(shè)計(jì)工作：

（1）各專業(yè)的設(shè)計(jì)人員需密切配合，工藝人員在要設(shè)計(jì)初期就優(yōu)化提出條件，提供接近工程實(shí)際狀態(tài)的設(shè)計(jì)條件，從而得到相對準(zhǔn)確的?t。

（2） 從結(jié)構(gòu)方案出發(fā)，可與工藝設(shè)計(jì)人員協(xié)調(diào)，選用地下式或半地下式的有蓋鋼筋混凝土水池。或者，對于地面式的混凝土水池提供一定的保溫條件來控制池內(nèi)外的壁面溫差。

（3） 從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，加大池壁厚度能夠有效提高截面的彈性抵抗矩，進(jìn)而提高其抗裂能力。但厚度過大，可能會(huì)在現(xiàn)場施工時(shí)，引發(fā)大體積混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量水化熱，與壁板外表面形成較大溫差而引發(fā)溫度應(yīng)力，對池體結(jié)構(gòu)造成不利影響，這也需要在設(shè)計(jì)時(shí)給予考慮。同時(shí)在構(gòu)造設(shè)計(jì)時(shí)，可考慮如控制鋼筋間距、配置構(gòu)造鋼筋及設(shè)置伸縮縫來釋放收縮、溫度作用等措施來滿足抗裂需求。但伸縮縫的設(shè)置對壁板的受力較為不利，應(yīng)綜合衡量進(jìn)而確定最合適的設(shè)計(jì)方案。

（4） 對于池內(nèi)外溫度相差懸殊的地面式大型水池結(jié)構(gòu)，若普通混凝土結(jié)構(gòu)難以滿足池壁的抗裂要求，或者經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差時(shí)，則可考慮施加體外預(yù)應(yīng)力的方法來解決。

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給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程CECS 138：2002. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002年。

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作者簡介：李琛，男，2015年畢業(yè)于東北石油大學(xué) 建筑與土木工程專業(yè)，碩士，長期從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，工程師。