水處理熱水池溫度應力有限元分析

摘 要：該專題通過有限元分析了兩個水工結構的溫度應力，說明露天水池結構由溫濕度作用引起的內力是不容忽視的，必須引起設計人員的足夠重視。

關鍵詞：露天水池 結構 溫濕度 內力

中圖分類號：TV621 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）03（b）-0-02

凈水或污水處理廠的水池投資約占土建投資的70%～80%，水池設計的慮安全性、適用性、耐久性和經濟合理性尤為重要。水池受力需要考慮水池自重、池內水壓力、池外土壓力、池內外溫差及濕差、地面堆載等荷載。池壁通常按照手冊計算水及土壓力、溫差等。架空熱水池底板的溫度應力，通常按經驗考慮，受力狀態缺乏理論分析。在北方冬夏溫差大，池壁應充分考慮溫、濕差產生的內力影響。依據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程CECS138：2002》（簡稱《水池規程》），利用SAP2000有限元軟件，對兩個水池進行分析，為水池設計提供參考（圖1）。

1 工程概況

天津某廠二次平流沉淀池，平面為矩形，尺寸42.9 m×14.6 m，水池深3.9～4.15 m，地上3.6 m，冬季池內水溫30 ℃，水池無保溫措施。（水池剖面見圖1）

又天津某廠濃縮池，圓形，直徑12 m，高4.5 m，采用8根柱子支撐于直徑10 m的調節池上，調節池地上4 m。冬季池內水溫為35 ℃。（水池剖面見圖2）

2 混凝土池壁溫度、濕度應力應變關系

由于混凝土熱脹冷縮的特性：夏天池壁外側熱內側冷，壁板外側膨脹內側收縮，受池體整體約束，外側產生壓應力，內側產生拉應力；冬季，池內水溫高，存在壁面溫差，壁板內側膨脹外側收縮，受池體整體約束，則內側產生壓應力，外側產生拉應力。另外，由于混凝土的濕脹干縮，夏天池壁外側很干，內側濕度飽和，所以內側膨脹，外側收縮。冬季，外界氣溫低，池壁內外側濕度相差不大，通常不考慮濕差應力。但此時內外溫差仍存在，故冬季只需考慮壁面溫差應力。

3 有限元計算基本假定和溫度變化模擬

計算時假定地基對水池底板不產生約束，混凝土為各向同性材料，混凝土彈性模量3.00E+04（N/mm2），混凝土線膨脹系數1.00E-05（1/ ℃），泊松比0.2。在SAP2000中指定兩個獨立的荷載溫度場。溫度t在厚度內恒定且產生膜應變；溫度梯度t3，在厚度方向為線性，且產生彎曲應變。

溫度荷載t在殼單元內產生的溫度應變等于材料的溫度膨脹系數和單元溫度改變的乘積。溫度改變由從單元參考溫度到單元加載溫度的變化來計算。溫度梯度通過在單位長度上的溫度變化來定義。若溫度在單元局部3軸正方向（線性地）增加，則溫度梯度為正值。在中間面梯度溫度為零，因此不產生膜應變。

兩個溫度場在單元平面上可以是恒定的，或由在節點給定值插值而得。水池壁面溫差采用溫度梯度t3來模擬，由于混凝土徐變和產生裂縫后剛度的降低等因素能顯著的降低結構溫度內力，因此溫度引起的內力應乘以折減系數0.65（取《水池規程》第6.1.10條的ηs值）。

4 內力組合

水池設計常考慮以下3種荷載組合：（1）池內水壓+自重；（2）池外土壓+自重；（3）池內水壓+自重+冬季溫差。前2種組合，對地下和半地下水池（當有地下水時，還應包括地下水壓）為基本荷載組合，水池建成運行前及水池放空期間均屬此荷載組合。第3種組合，當池壁冬季溫差大于夏季池壁的濕差（當量溫差）時，屬于最不利組合。

5 矩形水池池壁溫差內力計算

導熱系數（一側空氣一側水）λc為2.03（W/（mK）），熱交換系數（冬季混凝土與空氣之間）βc為23.26（W/（m2K）），最低月平均氣溫TA為-4.8（ ℃），介質計算溫度TN為30（ ℃），壁板厚度h=0.6（m），根據《水池規程》式4.3.5池壁溫差。

℃

按三邊固定，頂端自由計算，壁板高HB=4.2 m，壁板寬LB=12 m，LB/HB=2.86，按《水池規程》第6.1.10條計算與有限元計算（已經考慮ηs折減系數）對比見表1，有限元計算結果見圖3、圖4。

根據表1，有限元計算的溫度內力稍大于查表計算，符合較好。

6 圓形水池溫度應力

圓形水池中引起的溫度應力較復雜，除池壁存在壁面溫差外，架空池底也存在壁面溫差，溫度也不像矩形水池分布均勻。（池壁、池底內力計算詳見表2、表3）。有限元模型采用殼單元模擬池壁和池底板，線單元模擬梁柱。采用節點模式施加流體壓力，壁面溫差采用3-3軸溫度梯度施加，溫差引起的內力見圖5-圖8（已經考慮ηs折減系數），池內水壓力引起的內力見圖9-圖12。

7 結語

計算可知：溫濕度引起的內力不容忽視。即使不是熱水池，按《水池規程》第4.3.5-3條考慮，暴露在大氣中濕度當量溫差為10 ℃引起的內力是30 ℃溫差的1/3，其作用相當可觀。矩形水池壁面溫差按規程計算的溫度內力，與有限元計算相差不大，復雜體型熱水池的溫度應力就必須用有限元計算。池壁外露的水池，必須考慮溫、濕度對池壁抗裂性能的影響，合理進行結構布置，采取必要的構造措施，制定切實的施工方案和加強養護，確保工程質量。

參考文獻

[1]CECS給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程[M].中國建筑工業出版社，2002：138.

[2]邵永松，楊鎖青.鋼筋混凝土水池結構計算分析[J].低溫建筑技術，2000（4）.

[3]高健磊，李冰，李平先，等.鋼筋混凝土矩形水池溫、濕度應力計算與構造設計[J].四川建筑科學研究，2005（10）.

[4]給排水工程結構設計手冊[M].中國建筑工業出版社，1984.