矩形水池的溫控效應分析

劉祥鵬 （中節能國禎環保科技股份有限公司，安徽 合肥 230088）

1 混凝土水池溫度荷載的因素

1.1 水化熱溫差

水化熱溫差是指混凝土在澆筑過程中水泥在水化反應時產生的溫度，此時混凝土內部熱量比較高，而混凝土外表面與大氣接觸的部分往往溫度較低，導致混凝土內外溫度不一致，從而產生溫差，從而導致水池開裂。

1.2 季節性溫差

季節性溫差是因為季節冷暖更迭，氣溫高低變化導致水池結構及池內水溫受之影響而產生應力。季節性溫差的影響是長期反復的過程，對水池的整體影響較大，以當地年溫度的最高月與最低月平均溫度的變化值進行計算。

1.3 混凝土收縮當量溫差

導致混凝土收縮當量溫差主要是因為混凝土的水泥用量、外加劑的品種、水灰比、粗細骨料等。混凝土的收縮導致水池結構產生應力進而產生裂縫，這是混凝土的特有屬性與結構所承受的荷載無關。

1.4 日照溫差

太陽東升西落，會導致結構一面受陽，一面背陽，使結構日照不均而產生的溫度應力。

2 實際工程案例

本論文以某污水廠的水解酸化池為例，利用Midas Gen對其進行溫控分析。該水池底板尺寸31.4m×31.4m×9.75m。底板厚750mm，池壁厚600mm，底板外挑 800，池內水深8.5m，水池埋深3m。Midas Gen模型如圖1所示。

圖1 Midas計算模型

池內水容重10.2kN/m,池內外溫差按照《給排水工程構筑物結構設計規范》（GB50069-2002）取10℃。其計算公式如下：

式中：△t——壁板的內、外側壁面溫差（℃）；

h——壁板的厚度（m）；

λ——i材質的壁板的導熱系數（W/（m·K））；

β——i材質壁板與空氣的熱交換系數（W/（m·K））；

T——壁板內側介質的計算溫度，可按年最低月的平均水溫采用；

T——壁板外側的大氣溫度，可按年最低月的統計溫度采用。

關于T和T可以查詢當地氣象資料及《給排水工程結構設計手冊》（第二版）。

在Midas Gen中建立好模型之后，分別進行溫度荷載（使用的是溫度梯度荷載），底板的均布水壓力荷載，池壁的流體壓力荷載，自重荷載的添加。底板根據溫克爾理論進行邊界條件的添加，基床系數取20000kN/m，類型為僅受壓。

2.1 分析結果

運行分析后，該主池壁在溫度單一工況下X方向和Y方向的彎矩見圖2、圖3所示。

圖2 溫度工況下X方向上的彎矩

圖3 溫度工況下Y方向上的彎矩

由此可見在溫度工況下，對于該水池外池壁水平方向的彎矩，在轉角處對盛水時是有利的，在跨中處是不利的。在池壁豎向處，池壁與底板的交接處盛水時是有利的，在池壁跨中外側是不利的。

為進一步分析溫度的影響，現將進行如下2種標準組合進行壁板的最大彎矩和最大彎矩處對應的軸力進行分析。

組合①：1.0 自重+1.0水壓+1.0溫度（添加荷載時已經考慮0.65系數）

組合②：1.0自重+1.0水壓

分析結果如表1所示。

將以上數據整理成圖表，見表2所示。

由此可見，該池壁外側水平跨中處的彎矩受溫度的影響大，外側豎向跨中的彎矩受溫度的影響較大，在進行結構設計時要考慮溫度的不利影響。

3 裂縫的一些結構措施

①在《給排水工程構筑物結構設計規范》（GB50069-2002）6.2.1 條中，明確說明了“大型矩形構筑物的長度、寬度較大時，應設置適應溫度變化作用的伸縮縫”，對伸縮縫的最大間距作出了明確的要求，在設計中應該給予考慮，伸縮縫應該做成貫通式，在同一個剖面上連同基礎或底板皆斷開，寬度不宜小于2cm。

②可以針對工程特點，采用“膨脹加強帶”進行溫度應力的釋放。關于“膨脹加強帶”是在1993年由游寶坤、吳萬春等教授經過一系列實際工程數據分析和理論研究得出來的。在實際工程中，膨脹加強帶寬度可為1.5m～3m，一般2m為宜，；膨脹加強帶之間的水平構造鋼筋要適當增加約15%～20%，底板采取連續施工，池壁采取28d后澆筑。膨脹加強帶的兩側鋪設密孔鐵絲網，并用立筋鋼筋加固，以防止兩側混凝土流入加強帶。施工時，帶外用小膨脹混凝土，澆筑到加強帶時，改用大膨脹混凝土,其強度等級比兩側高C5等級。澆注到另一側時，又改為小膨脹混凝土。凡添加膨脹劑的混凝土，澆筑后均應加強澆水養護，且必須持續至達到混凝土齡期為止。限制膨脹率的檢驗應按《混凝土外加劑應用技術規范》附錄B進行。

2種標準組合工況壁板分析結果 表1

③可以對水池采取保溫措施，以進行溫度應力的釋放。

④在進行溫差計算的時候可以知道，適當的減少壁厚，可以減少池壁的內外溫差，尤其是地上水池對溫度荷載比較敏感的，池壁不宜設置過厚，對于大型高大水池，也可以設置池壁變截面厚度，以較少溫度對池壁的影響。

⑤可以根據實際工程情況設置滑動層。結構中產生的拉應力不僅與溫度的降低有關，還與結構的約束條件相關。對于超長水池結構，由于地基對底板的約束，加大了水池底板和頂板的位移差，使得水池的內力變大。地基對底板的約束可以通過在水池結構的底部設置水平滑動層來減小池底的約束作用，釋放出一部分由于溫度產生的自內力。

4 結論

綜上所述，在進行水工構筑物計算的時候，應該要考慮溫度的不利影響，尤其是大型的非地下水池，當池壁的跨度大時，溫度對池壁的配筋影響較大，往往可以起到主控作用。而現在手冊的算法，溫度的計算繁瑣，而且并不能準確的算出溫度的影響。

目前多數工程師在進行水池計算的時候，往往把池壁看成單塊板進行計算或者多跨的連續梁進行計算，其計算往往是不合理的或者是不經濟的，對其溫度的計算也常常被工程師忽視，帶來一定的安全隱患。而利用軟件進行數值分析是水工結構計算的方向，可以采取手算和軟件分析進行相互結合的方式進行設計，以滿足結構的經濟性、耐久性及美觀性。