摘 要：該專題通過有限元分析了兩個水工結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力，說明露天水池結(jié)構(gòu)由溫濕度作用引起的內(nèi)力是不容忽視的，必須引起設(shè)計人員的足夠重視。

關(guān)鍵詞：露天水池 結(jié)構(gòu) 溫濕度 內(nèi)力

中圖分類號：TV621 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)計的慮安全性、適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)合理性尤為重要。水池受力需要考慮水池自重、池內(nèi)水壓力、池外土壓力、池內(nèi)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(yīng)力，通常按經(jīng)驗(yàn)考慮，受力狀態(tài)缺乏理論分析。在北方冬夏溫差大，池壁應(yīng)充分考慮溫、濕差產(chǎn)生的內(nèi)力影響。依據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程CECS138：2002》（簡稱《水池規(guī)程》），利用SAP2000有限元軟件，對兩個水池進(jìn)行分析，為水池設(shè)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(nèi)水溫30 ℃，水池?zé)o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(diào)節(jié)池上，調(diào)節(jié)池地上4 m。冬季池內(nèi)水溫為35 ℃。（水池剖面見圖2）

2 混凝土池壁溫度、濕度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

由于混凝土熱脹冷縮的特性：夏天池壁外側(cè)熱內(nèi)側(cè)冷，壁板外側(cè)膨脹內(nèi)側(cè)收縮，受池體整體約束，外側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力；冬季，池內(nèi)水溫高，存在壁面溫差，壁板內(nèi)側(cè)膨脹外側(cè)收縮，受池體整體約束，則內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力。另外，由于混凝土的濕脹干縮，夏天池壁外側(cè)很干，內(nèi)側(cè)濕度飽和，所以內(nèi)側(cè)膨脹，外側(cè)收縮。冬季，外界氣溫低，池壁內(nèi)外側(cè)濕度相差不大，通常不考慮濕差應(yīng)力。但此時內(nèi)外溫差仍存在，故冬季只需考慮壁面溫差應(yīng)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(chǎn)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(shù)1.00E-05（1/ ℃），泊松比0.2。在SAP2000中指定兩個獨(dú)立的荷載溫度場。溫度t在厚度內(nèi)恒定且產(chǎn)生膜應(yīng)變；溫度梯度t3，在厚度方向?yàn)榫€性，且產(chǎn)生彎曲應(yīng)變。

溫度荷載t在殼單元內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)變等于材料的溫度膨脹系數(shù)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(chǎn)生膜應(yīng)變。

兩個溫度場在單元平面上可以是恒定的，或由在節(jié)點(diǎn)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(chǎn)生裂縫后剛度的降低等因素能顯著的降低結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力，因此溫度引起的內(nèi)力應(yīng)乘以折減系數(shù)0.65（取《水池規(guī)程》第6.1.10條的ηs值）。

4 內(nèi)力組合

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

5 矩形水池池壁溫差內(nèi)力計算

導(dǎo)熱系數(shù)（一側(cè)空氣一側(cè)水）λc為2.03（W/（mK）），熱交換系數(shù)（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(zhì)計算溫度TN為30（ ℃），壁板厚度h=0.6（m），根據(jù)《水池規(guī)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(guī)程》第6.1.10條計算與有限元計算（已經(jīng)考慮ηs折減系數(shù)）對比見表1，有限元計算結(jié)果見圖3、圖4。

根據(jù)表1，有限元計算的溫度內(nèi)力稍大于查表計算，符合較好。

6 圓形水池溫度應(yīng)力

圓形水池中引起的溫度應(yīng)力較復(fù)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(nèi)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(jié)點(diǎn)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(nèi)力見圖5-圖8（已經(jīng)考慮ηs折減系數(shù)），池內(nèi)水壓力引起的內(nèi)力見圖9-圖12。

7 結(jié)語

計算可知：溫濕度引起的內(nèi)力不容忽視。即使不是熱水池，按《水池規(guī)程》第4.3.5-3條考慮，暴露在大氣中濕度當(dāng)量溫差為10 ℃引起的內(nèi)力是30 ℃溫差的1/3，其作用相當(dāng)可觀。矩形水池壁面溫差按規(guī)程計算的溫度內(nèi)力，與有限元計算相差不大，復(fù)雜體型熱水池的溫度應(yīng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，采取必要的構(gòu)造措施，制定切實(shí)的施工方案和加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，確保工程質(zhì)量。

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