水池池壁內外溫（濕）差影響分析與優化設計

陳佳文 明 明 魏港超

（中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

鋼筋混凝土水池如今廣泛的應用于工業、農業與生活中，在水的收集、處理與供給方面發揮著巨大的作用。 身為鋼筋混凝土的水池除了自身承受來自池內動（靜）水壓力以及池壁外側的土壓力外，溫（濕）差的作用同樣也對水池池壁的影響很大，特別是在熱帶沙漠氣候的地區，夏季晝夜溫差相差巨大，溫（濕）差對水池結構的影響將尤為突出。溫（濕）差的影響主要是水池池壁內側溫（濕）度和水池池壁外側空氣溫（濕）度的不同產生的水池壁面應力。

水池的施工過程中，對澆筑模塊之間的伸縮縫處理耗時且麻煩，因此在設計過程中，應該該結合水池的類型和當地的氣候條件，確定最長的模塊澆筑長度，這樣使得池壁伸縮縫的數量最低，也加快了施工進度。因此，本文選取某一工程，建立水池有限元模型，利用軟件對水池池壁計算分析，求得在熱帶沙漠沿海地區極限溫（濕）差條件下的最長澆筑長度以及探求不同溫（濕）差對澆筑長度的影響規律。

1 工程概況

以熱帶沙漠氣候地區某一個大型水池為例，該水 池為鋼筋混凝土地上式結構，設置頂板。水池整體尺寸長151.2m，寬93m，池壁高度11.2m（未考慮底板和頂板的厚度）、厚度1.2m，整個水池池壁位于地上，地板厚0.6m，底板頂部水平與地表，地基下面的回填料是C20 素混凝土，深度6m,在計算中可以不考慮地基沉降對池壁的影響[1]，水池頂板厚度0.3m，水池內部每隔7.2x6.2 建立一個直徑為0.6m 的支撐圓柱，水池整體采用C40 混凝土[2]。該地區夏季極端干、熱，日平均氣溫極高，冬季則較低，晝夜溫差很大，而且緊鄰海岸線，建筑物受濕度的影響也比較大。

2 溫（濕）差研究分析

水池池壁對于溫度的影響，在水池池壁內外溫度不一樣的情況下，依據混凝土的熱脹冷縮性質，溫度較高一側的池壁混凝土將會膨脹產生壓應力，而溫度相對較低的另一側池壁混凝土將會收縮產生拉應力。池壁對于濕度方面的影響，按照混凝土的性質濕脹干縮，試驗研究分析表明，水池池壁中的水分會向溫度較低的一面池壁聚集，聚集的那方混凝土潮濕，池壁膨脹產生壓應力，另一面混凝土相對干燥將會收縮形成拉應力。依據以上分析，溫度與濕度對于池壁受力作用影響類似。

當水池蓄水時，對于最具有代表性的兩個季節夏季和冬季。夏季，白天時候水池池壁溫度外側高于內側，水分子向池壁內側聚集，內側應溫度較低冷縮和濕度較高濕脹相互抵消;晚上水池內外側溫度接近，溫差忽略，只有濕差產生的應力存在。冬季，外界溫度低于水溫，水分子向池壁外側聚集，應水池內部裝水，導致池壁內外濕度相近，因此可以不考慮濕度效應產生的應力對水池的影響，所以冬天只考慮溫差應力對池壁影響。

按照,對于鋼筋混凝土地上式水池，池壁暴露在大氣中，水池池壁壁面的溫差的求得，應該按照下式計算[3]：

TN——池壁內側水的計算溫度（℃），按年低月的平均水溫采用，依據該地區氣候取240C；

TA——池壁外側的大氣溫度（℃），按當地年低月的統計平均溫度采用，依據該地區氣候取70C；

根據計算可以得到池壁內外最大溫差為15.840C，對于暴露在大氣中的水池池壁的壁面濕度當量溫差可按10℃采用。二者取最大值，將15.84（取整160C）作為池壁內外溫差的計算溫度。

3 模型建立與結果分析

3.1 模型建立

依據水池設計，在水池結構計算軟件中依次完成工程設置、水池地板池壁頂板等布置、荷載的添加與地基基礎的輸入建立起立體的水池三維模型。如圖1、2。

圖1 三維模型圖

3.2 池壁澆筑長度

水池施工過程中，對兩個澆筑單位模塊之間的伸縮縫處理工序復雜，為了減少對伸縮縫的處理個數，應使得澆筑單元模塊在極限溫（濕）差條件下最長。可得，矩形構筑物的所設伸縮縫最大間距，對于有保溫措施的鋼筋混凝土池壁為30m。澆筑長度依次從20m 到30m 每次增加1m 建立三維模型，在模型的建立過程中，因為水池整體長寬一定，在劃分澆筑模塊過程中，水池池壁4 個面都會出現半個澆筑單元（澆筑長度小于或遠小于一個澆筑單元）。在對模型進行計算時，半個澆筑單元放在長壁面和寬壁面的最末端往往比放在中間影響大得多。因此，為了具有對比性，半個澆筑長度統一放在水池長壁面和寬壁面的倒數第二個單元澆筑位置。

圖2 水池池壁伸縮縫布置圖

3.3 計算與結果分析

建模建立好以后，對水池采用有限元方法計算內力，對于計算輸出結果，主要依據池壁模塊受力產生縫隙的寬度和邊緣應力這兩個指標鑒定澆筑模塊長度是否合理。對于裂縫寬度的要求，因為本工程是清水池，最大裂縫寬度[4]限值取0.25mm；對于邊緣應力，依據軟件得出結果，最大取2.079MPa。

最終確定，根據當地氣候，在極限溫（濕）差取16℃的時候，水池池壁最長澆筑長度為28.8m。為了具有對比性，取澆筑長度28.9m 的水池模型與其進行數據對比。

依據表1 中數據，可以清楚看出，兩個三維模型都是池壁外側的邊緣應力遠大于池壁內側應力，澆筑長度28.9m 的三維模型，池壁外側受力產生的裂縫達到0.53mm，超過了設定的0.25mm 的極限[5]。依據三維模型可以得出，不符合規范的模塊主要在半個澆筑單元位置。

表1 模型數據對比

為了消除半個澆筑單元對水池整體的影響，找到溫（濕）差變化對澆筑長度的影響關系，依據原有工程概況，將水池長壁面調整為五個單元澆筑長度，水池的寬壁面調整為三個單元澆筑長度，水池其他尺寸比如池壁高度、池壁厚度與荷載的添加等控制不變，將澆筑單元長度由30m 依次遞減2m 最后到8m,計算不同模型下所可以適應的極限溫（濕）差，可以得到如圖3數據：

圖3 溫（濕）差與澆筑單元長度曲線

曲線圖可以看出，在澆筑單元池壁長度大于12m 時候，隨著澆筑單元長度的加長，水池整體所能適應的極限溫（濕）差會得到提高，在澆筑尺寸小于12m 時候，隨著澆筑單元的長度的加長，變化趨勢與之前的相反，變化幅度更加大，24.8℃是整個三維模型各個澆筑尺寸所能承受溫度的下限。整個圖形可以看出，當溫差在24.8℃到25℃變化0.2℃時候，對水池池壁的影響區間為12m 到20m 長達八米的范圍。但池壁澆筑單元在8m 到12m 時，變化溫差由27.7℃到24.8℃，變化溫度接近3℃。

4 結論

本文通過對熱帶沙漠地區氣候進行分析得到最大溫（濕）差，采用有限元的方法進行建模計算，得到溫（濕）差在16℃澆筑長度為28.8m。同時在澆筑過程中存在半個澆筑單元，此澆筑段所在壁面的位置對水池整體結構所受應力和壁面裂縫寬度也有很大影響，應該在設計過程中對半個澆筑單元的控制，做到減少或沒有。采用特定澆筑模塊數量進行建模，從圖3 可以清楚看出，在不同澆筑區間內，溫度的跳動范圍也比較大。此模型雖然不能反映溫差與澆筑單元長度的整體關系，但對于此種類似的工程具有參考作用，具有一定的實用價值。