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)壓時抗裂性能較差，本文通過圓柱殼理論和彎矩分配的計算方法，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進行分析。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代背景下應(yīng)運而生。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行結(jié)構(gòu)設(shè)計及壁板內(nèi)力計算時，水池內(nèi)外的壁板溫差常因不具有實體性而沒有被設(shè)計人員引起足夠的重視，導(dǎo)致在實際工程中有一些水池在壁板內(nèi)外溫差變化較大時，產(chǎn)生難以預(yù)料的溫度應(yīng)力，致使壁板開裂，進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)計規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）規(guī)定在結(jié)構(gòu)計算時，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)計時，常將濕差等效為當(dāng)量溫差來計算。

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產(chǎn)生水化熱等情況都會引發(fā)混凝土的膨脹或者收縮，在限制溫度變形發(fā)展的同時就引發(fā)了溫度應(yīng)力。壁板兩側(cè)溫度的差異則會引發(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，邊界條件對圓形水池池體的約束也會引發(fā)溫度應(yīng)力。總之，無論何時，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度時，將致使池壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，隨后局部裂紋進而發(fā)展成為貫通裂縫，終會造成水池的滲漏。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)計時一般不予考慮。

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)計水深為5m，滿水時為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行受力分析。

4 壁板內(nèi)力計算原理

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行受力分析。同時，采用彎矩分配法計算池體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。

5 壁面溫差（?t）的計算

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算。在工業(yè)廢水去污處理時，水池內(nèi)介質(zhì)的溫度往往會相對較高。故在實際設(shè)計時，與上游環(huán)保專業(yè)確保池內(nèi)介質(zhì)的實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)，各項計算結(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內(nèi)力均遠大于池內(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，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處達到最值，池外壁在底端受壓。當(dāng)同時考慮水壓與壁面溫差作用時，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，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，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)計時可不予考慮。

由表3可知，僅考慮池內(nèi)水壓作用時，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)。同時考慮水壓與壁面溫差作用時，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。同時發(fā)現(xiàn)，壁面溫差作用對截面環(huán)向彎矩的貢獻遠大于池內(nèi)水壓的作用。85D75699-62B6-411E-B972-F78D76346D16

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作用時，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，環(huán)向力在壁板中部達到最值。考慮壁面溫差作用時，環(huán)向力Nθ在壁板頂端達到最大值，但沿壁板向下遞減，同時，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，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。同時，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算時，發(fā)現(xiàn)環(huán)向彎矩與環(huán)向力非常大時，可考慮通過施加體外預(yù)應(yīng)力的設(shè)計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，均會面臨壁板內(nèi)外溫差過大的情況。經(jīng)上述計算分析，提出以下幾點建議以便改善今后的設(shè)計工作：

（1）各專業(yè)的設(shè)計人員需密切配合，工藝人員在要設(shè)計初期就優(yōu)化提出條件，提供接近工程實際狀態(tài)的設(shè)計條件，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，進而提高其抗裂能力。但厚度過大，可能會在現(xiàn)場施工時，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)計時給予考慮。同時在構(gòu)造設(shè)計時，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)綜合衡量進而確定最合適的設(shè)計方案。

（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)濟指標(biāo)較差時，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)計工作，工程師。85D75699-62B6-411E-B972-F78D76346D16