陳佳文 明 明 魏港超

（中國葛洲壩集團三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

鋼筋混凝土水池如今廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)與生活中，在水的收集、處理與供給方面發(fā)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(nèi)動（靜）水壓力以及池壁外側(cè)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(qū)，夏季晝夜溫差相差巨大，溫（濕）差對水池結(jié)構(gòu)的影響將尤為突出。溫（濕）差的影響主要是水池池壁內(nèi)側(cè)溫（濕）度和水池池壁外側(cè)空氣溫（濕）度的不同產(chǎn)生的水池壁面應(yīng)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(shè)計過程中，應(yīng)該該結(jié)合水池的類型和當?shù)氐臍夂驐l件，確定最長的模塊澆筑長度，這樣使得池壁伸縮縫的數(shù)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(qū)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(guī)律。

1 工程概況

以熱帶沙漠氣候地區(qū)某一個大型水池為例，該水 池為鋼筋混凝土地上式結(jié)構(gòu)，設(shè)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(nèi)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(qū)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(nèi)外溫度不一樣的情況下，依據(jù)混凝土的熱脹冷縮性質(zhì)，溫度較高一側(cè)的池壁混凝土將會膨脹產(chǎn)生壓應(yīng)力，而溫度相對較低的另一側(cè)池壁混凝土將會收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力。池壁對于濕度方面的影響，按照混凝土的性質(zhì)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(chǎn)生壓應(yīng)力，另一面混凝土相對干燥將會收縮形成拉應(yīng)力。依據(jù)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(jié)夏季和冬季。夏季，白天時候水池池壁溫度外側(cè)高于內(nèi)側(cè)，水分子向池壁內(nèi)側(cè)聚集，內(nèi)側(cè)應(yīng)溫度較低冷縮和濕度較高濕脹相互抵消;晚上水池內(nèi)外側(cè)溫度接近，溫差忽略，只有濕差產(chǎn)生的應(yīng)力存在。冬季，外界溫度低于水溫，水分子向池壁外側(cè)聚集，應(yīng)水池內(nèi)部裝水，導致池壁內(nèi)外濕度相近，因此可以不考慮濕度效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力對水池的影響，所以冬天只考慮溫差應(yīng)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(yīng)該按照下式計算[3]：

TN——池壁內(nèi)側(cè)水的計算溫度（℃），按年低月的平均水溫采用，依據(jù)該地區(qū)氣候取240C；

TA——池壁外側(cè)的大氣溫度（℃），按當?shù)啬甑驮碌慕y(tǒng)計平均溫度采用，依據(jù)該地區(qū)氣候取70C；

根據(jù)計算可以得到池壁內(nèi)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(nèi)外溫差的計算溫度。

3 模型建立與結(jié)果分析

3.1 模型建立

依據(jù)水池設(shè)計，在水池結(jié)構(gòu)計算軟件中依次完成工程設(shè)置、水池地板池壁頂板等布置、荷載的添加與地基基礎(chǔ)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(shù)，應(yīng)使得澆筑單元模塊在極限溫（濕）差條件下最長。可得，矩形構(gòu)筑物的所設(shè)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(xiàn)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(tǒng)一放在水池長壁面和寬壁面的倒數(shù)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(jié)果分析

建模建立好以后，對水池采用有限元方法計算內(nèi)力，對于計算輸出結(jié)果，主要依據(jù)池壁模塊受力產(chǎn)生縫隙的寬度和邊緣應(yīng)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(yīng)力，依據(jù)軟件得出結(jié)果，最大取2.079MPa。

最終確定，根據(jù)當?shù)貧夂颍跇O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(shù)據(jù)對比。

依據(jù)表1 中數(shù)據(jù)，可以清楚看出，兩個三維模型都是池壁外側(cè)的邊緣應(yīng)力遠大于池壁內(nèi)側(cè)應(yīng)力，澆筑長度28.9m 的三維模型，池壁外側(cè)受力產(chǎn)生的裂縫達到0.53mm，超過了設(shè)定的0.25mm 的極限[5]。依據(jù)三維模型可以得出，不符合規(guī)范的模塊主要在半個澆筑單元位置。

表1 模型數(shù)據(jù)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(guān)系，依據(jù)原有工程概況，將水池長壁面調(diào)整為五個單元澆筑長度，水池的寬壁面調(diào)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(yīng)的極限溫（濕）差，可以得到如圖3數(shù)據(jù)：

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(yīng)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(qū)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(jié)論

本文通過對熱帶沙漠地區(qū)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(jié)構(gòu)所受應(yīng)力和壁面裂縫寬度也有很大影響，應(yīng)該在設(shè)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(shù)量進行建模，從圖3 可以清楚看出，在不同澆筑區(qū)間內(nèi)，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(guān)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。