钢筋混凝土圆形水池池壁裂缝分析

张　健

摘要：目前在实际工程中钢筋混凝土圆形水池应用比较广泛，但是若采用普通钢筋混凝土结构，就对水池裂缝控制提出新的挑战。文章首先对钢筋混凝土开裂影响因素进行了全面的分析，然后针对圆形水池池壁进行具体分析，分析过程中充分考虑了非荷载因素的影响。

关键词：圆形水池；裂缝控制；温度收缩变形；混凝土；外加剂

中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0170-02

钢筋混凝土水池贮液池属于特种结构，它与钢水池、素混凝土水池和砌体水池相比，不但具有施工简单、造价低、成型方便，而且具有较好的防渗、防腐和耐久性能，所以它也是使用最广泛的水池类型。圆形水池受力合理、节省材料、施加预应力方便，在大、中、小型水池中均有广泛应用。对于容量大于3000m3的水池，由于环向拉力大容易导致池壁开裂，一般建议采用预应力钢筋混凝土水池。但是由于近些年国内建设发展迅速，一些大型水池的施工单位并不具备大型的复杂的预应力施工设备或者为了施工方便，仍然采用了普通钢筋混凝土结构，这就给水池的裂缝控制提出了新的要求。本文先对钢筋混凝土开裂影响因素进行了全面的分析，然后针对圆形水池池壁进行具体分析。

一、钢筋混凝土开裂的影响因素

（一）混凝土的材料特性

在混凝土的凝固过程中，水泥的水化作用在表面形成凝胶体，水泥砂浆逐渐变稠、硬化，并与粗骨料黏结成一整体。在此过程中，水泥砂浆失水收缩的变形远大于粗骨料的变形。由此导致的应力场的局部应力可能很大，以致在骨料的截面中产生微裂缝。有学者考虑混凝土的实际结构，建立了构造模型，并通过弹性理论计算，从理论上证明了变形约束应力可以引起裂缝。微裂主要有三种：粘着裂缝，水泥石裂缝，骨料裂缝。在这三种裂缝中，前两种较多，而骨料裂缝较少，所以混凝土的微裂主要是指粘着裂缝和水泥石裂缝。结硬混凝土材料中所有未被原材料和生成物所占据的非密实部分形成空隙，这包括因硬化混凝土中游离水的作用而形成的毛细孔、因混凝土拌合物夹带的空气未被完全排除而形成的气孔和水泥凝胶体之间的凝胶孔等。随着混凝土硬化条件的不同，毛细孔和凝胶孔还可以被水或空气填充。由于空隙的存在，加速了微裂缝的扩展，这是产生微裂缝的关键因素之一。

（二）混凝土的收缩变形

由混凝土中所含水分的变化、温度变化和化学反应等因素引起的混凝土体积缩小均称为混凝土的收缩。根据产生的原因，混凝土的收缩变形其可分为以下五类：（1）自生收缩，即自缩；（2）塑性收缩；（3）温度收缩即冷缩；（4）失水收缩，即干缩；（5）碳化收缩。

（三）钢筋混凝土的黏结

由于钢筋与混凝土之间存在黏结作用，钢筋对混凝土的开裂就有一种限制约束作用，而该作用的大小决定于钢筋的密度和钢筋与混凝土黏结的大小，所以有必要对钢筋混凝土的黏结锚固能力进行分析比较。具体黏结能力的来源跟钢筋的类型有关。直段光面钢筋的黏结能力来源于胶结力和摩擦力，但是当滑移产生后，胶结力就会逐步丧失，此时起主要锚固作用的是摩擦力。影响变形钢筋黏结力的主要因素有混凝土强度、锚固长度、保护层相对厚度、锚筋外形特征、配箍情况、混凝土浇筑情况和锚固受力情况。

（四）混凝土的徐变变形

混凝土在荷载长期作用下即压力不变的情况下，它的应变随时间继续增长的现象称为混凝土徐变。一般认为徐变与收缩是相互联系的现象，因为二者之间有很多相似之处。关于混凝土徐变产生的原因，通常的解释是，混凝土硬结以后，骨料之间水泥浆的一部分变为完全弹性的结晶体，另一部分变为填充于晶体间的凝胶体，后者具有黏结流动的性质。混凝土内部微裂缝在荷载长期作用下不断发展和增加，导致应变的增加。

（五）外加剂的影响

在混凝土的拌制过程中加入各种外加剂，可以节省水泥、提高施工速度与施工质量、改善工艺与劳动条件和改善混凝土的性能。在混凝土中掺入适量的减水剂可以分散水泥颗粒并调节凝结时间，从而改善混凝土的和易性、提高强度并节省水泥。在混凝土中掺入引气剂可以在混凝土中引进一定数量的气泡，以减少混凝土在流动过程中对管壁的摩擦阻力。适当地应用高性能矿渣掺和料等量取代部分水泥，能起到增加流动性和提高强度的作用。

二、钢筋混凝土圆形水池池壁的非预应力抗裂分析

（一）水池概况

如前面中所提到的，水池设计受多种因素的影响，这包括工艺使用要求、地质水文条件、气象气温条件、防漏防腐保温处理和技术经济指标等，因而它有各种不同的类型。水池的平面形状的选择主要取决于工艺要求和经济合理性。以内力分布和经济比较来说，最有利的形式是圆形水池。因为圆形水池的池壁大部分是受拉，这将由池壁中的环向钢筋来承受。另外，当水池容量相同时，圆形水池的表面积比矩形水池表面积小，相应的其材料消耗也就小。但是从适应地形的能力、布置是否紧凑和占地面积等方面考虑，采取矩形水池则更加有利。总之，水池形式的合理选用必须考虑工艺要求、土建结构和施工条件等因素。

相对于其他水池，作用在敞口等厚圆形水池上的荷载，大致可分为以下几种：自重，液压力，土压力，活荷载，地基反力，等等。由于这些荷载并非同时作用于水池各构件上，所以设计时还须考虑各组成构件的最不利荷载组合情况。水池的设计内容包括以下三个方面：（1）抗裂度验算和限制裂缝宽度的验算；（2）稳定性的演算；（3）地基强度的演算。

（二）收缩变形的分析

如前面所分析的，裂缝的形成受到包括荷载因素和多种非荷载因素的综合影响。虽然现行规范和规程，对最大裂缝宽度的处理方式考虑了荷载作用和温（湿）度变化作用，但是对于有着诸多非荷载因素影响的裂缝宽度来说显然是不够的。本章先把其他收缩变形转化为收缩当量温差，然后统一进行温湿差应力计算，最后结合荷载因素产生的应力进行抗裂度验算或限制裂缝宽度的验算，以实现对水池池壁的综合非预应力抗裂分析。

（三）温（湿）度应力的分析

温度变化对水池池壁的影响可以分为两种情况考虑：一种是由于水池池内的水温与池外空气或填土的温度不同，使池壁内外壁面产生温差，称为壁面温差；另一种是由于施工期间混凝土闭合时的温度与水池使用时的最高或最低温度之差，称为中面季节平均温差简称中面温差。一般来说，由于混凝土具有热胀冷缩的物理特性，温度变化就会使池壁发生变形。结构产生变形变化时，不同结构之间和内部各质点之间都会产生约束，前者称为“外约束”，后者称为“内约束”。外约束可分为自由、全约束和弹性约束三种状态。具体到圆形水池池壁，壁面温差造成池壁温度高的一侧膨胀，而温度低的一侧收缩。这将导致圆环曲率的改变，由于封闭环形池壁自身阻碍了这种曲率的改变，致使温度低的一侧不能自由收缩而产生拉力，温度高的一侧不能自由伸长而产生压力。这种阻碍自身变形的作用即为自约束，而由于温度变形受到其阻碍作用而产生的应力即为温度应力。另外，圆形水池池壁的壳体变形不但受到自约束的限制，而且受到边界约束条件的限制。

钢筋混凝土不但有热胀冷缩现象，而且有湿胀干缩现象。因此当池外大气温度、池内液体温度和池壁湿度发生变化时，池壁会发生变形，当这些变形受到约束时，就会在池壁内部形成附加内力。当这种附加内力超过混凝土的抗拉强度时便会产生裂缝，而当裂缝宽度超过限制时就会对结构产生不良影响。

（四）荷载应力的分析

敞口等厚圆形水池所受的外荷载主要池内外液压力、土压力和地面活荷载通过池壁外侧土壤传给池壁的水平侧压力。根据前面所讨论，温度应力影响最大的水池类型是地面水池，且其主要荷载为池内液压力，故为简便起见，此处只考虑地面水池的池内液压荷载作用。

（五）荷载因素与非荷载因素综合抗裂分析

在求出荷载因素与非荷载因素产生的内力后，就可进行水池池壁的设计计算。在一般情况下环向力沿池壁高度的大小分布是不相同的，为了达到配筋合理，可以采用分段计算分段配筋的办法来设计环向钢筋。环向钢筋可取双排配置，以便与竖向钢筋整体连接。故通常水池的池壁钢筋都是双排双向的。

对于变形引起的裂缝问题，仅看到混凝土结构的抗拉强度是不全面的，更重要的是要看“材料的抗变形能力”，即材料的极限拉伸值。在工业和民用建筑领域中，对抗压强度的研究与应用较为注重，规范和规程都把抗压强度作为控制工程质量的主要指标，然而绝大多数工程的裂缝问题是抗拉强度和极限拉伸的问题。对于配筋对混凝土极限拉伸的影响，在国内外一直是有争议的，一种观点认为，钢筋对混凝土的极限拉伸没有影响；另一种观点认为，配筋可以提高混凝土的极限拉伸。在这种情况下传统的不考虑非荷载因素的抗裂设计方法显然是不充分的。同时上面两种观点都认为，混凝土中配置钢筋能够起到控制裂缝扩展和减少裂缝宽度的作用。

三、结语

钢筋混凝土圆形水池因其具有施工简单、造价低、成型方便，而且具有较好的防渗、防腐和耐久性能等优点，在实际工程中得到广泛使用。但是有必要对水池池壁的裂缝控制进行重点分析。本文基于以上工程背景对大型钢筋混凝土圆形水池池壁的裂缝控制进行了分析研究，分析中讨论了钢筋混凝土开裂的普遍因素，对钢筋混凝土圆形水池池壁分别进行了非预应力抗裂分析和无黏结预应力抗裂分析。

参考文献

[1]罗井国．钢筋混凝土水池设计的几个问题[J]．黑龙江冶金，2003，（3）．

[2]A.M.内维尔著，李国绊译．混凝土的收缩[M]．中国建筑工业出版社，1983．

作者简介：张健（1981－），男，湖北武汉人，泛华建设集团湖北设计分公司助理工程师，研究方向：水工结构。