高温水池池壁结构分析

王 萱 赵星明

(山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

高温水池池壁结构分析

王 萱 赵星明

(山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

结合某高温水池的具体情况，研究分析了壁面温差对钢筋混凝土圆形水池池壁的影响，利用有限元通用软件ANSYS，模拟了池壁应力的分布规律，并提出了结构修复加固方案。

池壁，模拟分析，壁面温差，钢筋混凝土结构

北方地区某洗涤水沉淀池，为钢筋混凝土地面水池，外径为28 m，池高3.9 m，壁厚0.3 m，结构材料为C25混凝土和HPB235钢筋。沉淀池处理的洗涤水温度为47 ℃，使用一段时间后，池壁外表面出现竖向裂缝，局部裂纹已经贯通整个池壁，渗漏现象严重。为了对沉淀池进行修复加固，需要对池壁进行结构分析。研究在受力最不利情况下池壁内应力大小及分布，验证分析池壁开裂的主要原因，结合应力分布规律提出加固方案，探索钢筋混凝土圆形水池结构模拟分析技术。

1 壁面温差对池壁结构影响分析

1.1 壁面温差

当池壁两侧的温度不同时就存在壁面温差，池壁温度高的一侧膨胀增大，圆形池壁的曲率将发生变化。曲率的改变会受到池壁自身的阻碍，产生温度应力。另外，池壁的变形受到边界约束条件的限制，也会产生温度应力。壁面温差与池壁厚度、池壁导热

系数和池壁内外温差等有关，其计算公式[1]为：

(1)

其中，h为池壁厚度，m；λi为池壁导热系数，混凝土导热系数为2.03 W/(m·K)(冬季)；βi为池壁与空气间的交换系数，取23.26 W/(m2·K)；Tn为池壁内水温；Tw为池壁外气温，本例冬季室外最低温度为-16 ℃。用式(1)可计算得到池壁的最大壁面温差为48.77 ℃。

1.2 结构模拟

利用ANSYS有限元程序的Modeling和Meshing模块建立三维几何模型，进行网格划分，形成有限元模型[2]。使用Thermal热分析模块进行热分析，经“Thermal to Struc”单元转换功能，将得到的池体温度分布情况传递到结构单元。最后利用Structural结构分析模块完成沉淀池池壁结构的热—结构耦合模拟[3]。其中，结构单元选用三维实体壳单元Solsh190，池壁配筋双层双向钢筋Φ12@200，按最大壁面温差考虑。

1.3 模拟结果分析

热—结构耦合分析结果，通过“General Postproc/Plot Results”可得到环向正应力云图、径向正应力云图和竖向正应力云图，如图1～图3所示。图1中，池壁外侧环向正应力沿墙高度上部大、下部小，均为拉应力，最大拉应力值为11.3 N/mm2；池壁内侧环向正应力沿墙高度上部大、下部小，均为压应力，最大压应力值为7.51 N/mm2。外侧最大环向拉应力远超过C25混凝土的抗拉强度(抗拉强度标准值ftk=1.78 N/mm2)，出现竖向裂缝是必然的。

图2中，池壁径向正应力相对较小，沿墙厚方向外侧小、内侧大，均为拉应力；沿高度底部正应力大，最大径向拉应力值为1.59 N/mm2。

图3中，池壁外竖向正应力沿墙高度上部小、下部大，均为拉应力，最大拉应力值为9.54 N/mm2；池壁内侧竖向正应力沿墙高度上部大、下部小，均为压应力，最大压应力值为9.65 N/mm2。

由以上分析可得，对于壁面温差较大的特殊用途大中型混凝土水池，在壁面温差及水压力作用下池壁外侧的拉应力可能很大，很难避免裂缝产生。为了避免池壁开裂、抑制裂缝宽度过大，应采用预应力钢筋混凝土结构，或采取其他措施。

2 裂缝修复及加固方案分析

根据目前结构加固技术，池壁结构修复加固方案很多，如钢板加固法、预应力钢绞线加固法、碳纤维补强加固法等等[4]。根据本工程具体特点，可以选择的基本方案有：

1)在水池外侧增设钢板环箍加固的方法。对于圆形水池池壁加固，采用这种方案的优势是施工较为简单，有较成熟的加固经验，具体钢板环箍的尺寸、位置和数量须通过优化设计确定[5]。

2)在水池外侧做钢筋混凝土柱，沿环向设置预应力钢绞线来加固水池。这种方案加固后需要注意预应力筋的保护，有关构造要求可参考CECS 216:2006给水排水工程预应力混凝土圆形水池结构技术规程[6]。

3)在水池外贴碳纤维补强加固。碳纤维通过环氧树脂与池壁粘贴，能可靠地与钢筋混凝土池壁共同工作。碳纤维具有弹性模量大，密度小，抗疲劳强度高，耐久性能好，抗腐蚀，柔性好等优点。另外，树脂具有良好的防水性能，对混凝土的劣化及钢筋的腐蚀起到抑制作用，且耐酸、碱、盐及腐蚀。碳纤维补强加固能最大限度地保留水池结构原来特点和外形，与传统加固方法相比有着卓越的效果[7]。外贴碳纤维的有关构造可参考CECS 146：2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程(2007版)。

加固方案各有优缺点，对于粘贴碳纤维布和粘钢加固的一般经验是：当补强所需面积较小的普通小荷载结构或构件、粘贴碳纤维布1层～2层即可满足要求时，优先选用粘贴碳纤维布加固方案，其经济性和施工操作性优势明显；当结构补强所需面积较大时，优先选用粘钢加固方案，可大幅提高结构的承载力或受力性能，并取得良好的经济性；将上述方法进行组合也是一种不错的加固方案，即在池壁外先采用纤维加固，再在池壁顶部、中部和底部设置钢板箍加固。

所有加固方案在实施前均需要经过方案设计论证确定。加固实施的主要环节：对开裂部位做必要的清除、防锈及灌缝处理；然后用高压水冲洗干净，用高标号水泥砂浆抹箍，使之基面平滑；水泥砂浆达到强度后，进行最终加固及加固后评估[8]。

3 结语

1)地上钢筋混凝土水池结构，当池内水有一定的温度时，结构设计应充分考虑温差作用影响。

2)利用ANSYS进行水池池壁分析，关键的是选择单元类型与要分析的问题密切结合。本例采用Solsh190单元模拟，能较准确表达出池壁内外侧应力分布，验证裂缝出现的原因及方向。

3)开裂水池加固方案很多，加固方案的选用应结合具体工程，应该进行方案优化。

[1] 《给水排水工程结构设计手册》编写委员会.给水排水工程结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：393-430.

[2] 王 萱，赵星明，王 慧，等.基于ANSYS的钢筋混凝土结构三维实体建模技术探讨[J].山东农业大学学报(自然科学版),2004,35(1):113-117.

[3] 张洪才.ANSYS 14.0工程实例解析与常见问题解答[M].北京:机械工业出版社，2013:153-160.

[4] 徐志武，廖新雪，刘文劼.粘贴碳纤维布与粘钢加固方法的适用性对比分析[J].重庆建筑,2009,66(4):25-27.

[5] 王慧英.钢筋混凝土圆形水池裂缝分析与处理[J].宝钢科技,2009,35(2):67-69.

[6] 唐颖栋.钢绞线在水池加固中的应用[J].建筑技术,2011,42(12):1070-1074.

[7] 胡金旭.钢筋混凝土水池温度裂缝的分析及碳纤维加固处理[J].工业建筑,2011,41(8):130-133.

[8] 张鹏飞，孙全胜.复合砂浆预应力钢丝绳加固实桥的试验分析[J].建筑结构,2014,44(3):67-70.

Structure analysis of hot water storage pool wall

WANG Xuan ZHAO Xing-ming

(CollegeofHydraulicandCivilengineering,ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an271018,China)

According to the specific situation of the hot water pool, the article analyzes the influence of the wall temperature difference on the RC structure cylindrical pool’s wall. By using the 3D thermal unit and structure unit of ANSYS, the stress state is studied by numerical simulation of thermal structure coupling. Finally, gives the reinforcement plan.

pool wall, simulation analysis, wall temperature difference, RC structure

2014-07-18

王 萱(1965- )，女，副教授； 赵星明(1964- )，男，副教授

1009-6825(2014)27-0041-03

TU311.4

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