水池池壁内外温（湿）差影响分析与优化设计

陈佳文 明 明 魏港超

（中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司，湖北 宜昌 443002）

钢筋混凝土水池如今广泛的应用于工业、农业与生活中，在水的收集、处理与供给方面发挥着巨大的作用。 身为钢筋混凝土的水池除了自身承受来自池内动（静）水压力以及池壁外侧的土压力外，温（湿）差的作用同样也对水池池壁的影响很大，特别是在热带沙漠气候的地区，夏季昼夜温差相差巨大，温（湿）差对水池结构的影响将尤为突出。温（湿）差的影响主要是水池池壁内侧温（湿）度和水池池壁外侧空气温（湿）度的不同产生的水池壁面应力。

水池的施工过程中，对浇筑模块之间的伸缩缝处理耗时且麻烦，因此在设计过程中，应该该结合水池的类型和当地的气候条件，确定最长的模块浇筑长度，这样使得池壁伸缩缝的数量最低，也加快了施工进度。因此，本文选取某一工程，建立水池有限元模型，利用软件对水池池壁计算分析，求得在热带沙漠沿海地区极限温（湿）差条件下的最长浇筑长度以及探求不同温（湿）差对浇筑长度的影响规律。

1 工程概况

以热带沙漠气候地区某一个大型水池为例，该水 池为钢筋混凝土地上式结构，设置顶板。水池整体尺寸长151.2m，宽93m，池壁高度11.2m（未考虑底板和顶板的厚度）、厚度1.2m，整个水池池壁位于地上，地板厚0.6m，底板顶部水平与地表，地基下面的回填料是C20 素混凝土，深度6m,在计算中可以不考虑地基沉降对池壁的影响[1]，水池顶板厚度0.3m，水池内部每隔7.2x6.2 建立一个直径为0.6m 的支撑圆柱，水池整体采用C40 混凝土[2]。该地区夏季极端干、热，日平均气温极高，冬季则较低，昼夜温差很大，而且紧邻海岸线，建筑物受湿度的影响也比较大。

2 温（湿）差研究分析

水池池壁对于温度的影响，在水池池壁内外温度不一样的情况下，依据混凝土的热胀冷缩性质，温度较高一侧的池壁混凝土将会膨胀产生压应力，而温度相对较低的另一侧池壁混凝土将会收缩产生拉应力。池壁对于湿度方面的影响，按照混凝土的性质湿胀干缩，试验研究分析表明，水池池壁中的水分会向温度较低的一面池壁聚集，聚集的那方混凝土潮湿，池壁膨胀产生压应力，另一面混凝土相对干燥将会收缩形成拉应力。依据以上分析，温度与湿度对于池壁受力作用影响类似。

当水池蓄水时，对于最具有代表性的两个季节夏季和冬季。夏季，白天时候水池池壁温度外侧高于内侧，水分子向池壁内侧聚集，内侧应温度较低冷缩和湿度较高湿胀相互抵消;晚上水池内外侧温度接近，温差忽略，只有湿差产生的应力存在。冬季，外界温度低于水温，水分子向池壁外侧聚集，应水池内部装水，导致池壁内外湿度相近，因此可以不考虑湿度效应产生的应力对水池的影响，所以冬天只考虑温差应力对池壁影响。

按照,对于钢筋混凝土地上式水池，池壁暴露在大气中，水池池壁壁面的温差的求得，应该按照下式计算[3]：

TN——池壁内侧水的计算温度（℃），按年低月的平均水温采用，依据该地区气候取240C；

TA——池壁外侧的大气温度（℃），按当地年低月的统计平均温度采用，依据该地区气候取70C；

根据计算可以得到池壁内外最大温差为15.840C，对于暴露在大气中的水池池壁的壁面湿度当量温差可按10℃采用。二者取最大值，将15.84（取整160C）作为池壁内外温差的计算温度。

3 模型建立与结果分析

3.1 模型建立

依据水池设计，在水池结构计算软件中依次完成工程设置、水池地板池壁顶板等布置、荷载的添加与地基基础的输入建立起立体的水池三维模型。如图1、2。

图1 三维模型图

3.2 池壁浇筑长度

水池施工过程中，对两个浇筑单位模块之间的伸缩缝处理工序复杂，为了减少对伸缩缝的处理个数，应使得浇筑单元模块在极限温（湿）差条件下最长。可得，矩形构筑物的所设伸缩缝最大间距，对于有保温措施的钢筋混凝土池壁为30m。浇筑长度依次从20m 到30m 每次增加1m 建立三维模型，在模型的建立过程中，因为水池整体长宽一定，在划分浇筑模块过程中，水池池壁4 个面都会出现半个浇筑单元（浇筑长度小于或远小于一个浇筑单元）。在对模型进行计算时，半个浇筑单元放在长壁面和宽壁面的最末端往往比放在中间影响大得多。因此，为了具有对比性，半个浇筑长度统一放在水池长壁面和宽壁面的倒数第二个单元浇筑位置。

图2 水池池壁伸缩缝布置图

3.3 计算与结果分析

建模建立好以后，对水池采用有限元方法计算内力，对于计算输出结果，主要依据池壁模块受力产生缝隙的宽度和边缘应力这两个指标鉴定浇筑模块长度是否合理。对于裂缝宽度的要求，因为本工程是清水池，最大裂缝宽度[4]限值取0.25mm；对于边缘应力，依据软件得出结果，最大取2.079MPa。

最终确定，根据当地气候，在极限温（湿）差取16℃的时候，水池池壁最长浇筑长度为28.8m。为了具有对比性，取浇筑长度28.9m 的水池模型与其进行数据对比。

依据表1 中数据，可以清楚看出，两个三维模型都是池壁外侧的边缘应力远大于池壁内侧应力，浇筑长度28.9m 的三维模型，池壁外侧受力产生的裂缝达到0.53mm，超过了设定的0.25mm 的极限[5]。依据三维模型可以得出，不符合规范的模块主要在半个浇筑单元位置。

表1 模型数据对比

为了消除半个浇筑单元对水池整体的影响，找到温（湿）差变化对浇筑长度的影响关系，依据原有工程概况，将水池长壁面调整为五个单元浇筑长度，水池的宽壁面调整为三个单元浇筑长度，水池其他尺寸比如池壁高度、池壁厚度与荷载的添加等控制不变，将浇筑单元长度由30m 依次递减2m 最后到8m,计算不同模型下所可以适应的极限温（湿）差，可以得到如图3数据：

图3 温（湿）差与浇筑单元长度曲线

曲线图可以看出，在浇筑单元池壁长度大于12m 时候，随着浇筑单元长度的加长，水池整体所能适应的极限温（湿）差会得到提高，在浇筑尺寸小于12m 时候，随着浇筑单元的长度的加长，变化趋势与之前的相反，变化幅度更加大，24.8℃是整个三维模型各个浇筑尺寸所能承受温度的下限。整个图形可以看出，当温差在24.8℃到25℃变化0.2℃时候，对水池池壁的影响区间为12m 到20m 长达八米的范围。但池壁浇筑单元在8m 到12m 时，变化温差由27.7℃到24.8℃，变化温度接近3℃。

4 结论

本文通过对热带沙漠地区气候进行分析得到最大温（湿）差，采用有限元的方法进行建模计算，得到温（湿）差在16℃浇筑长度为28.8m。同时在浇筑过程中存在半个浇筑单元，此浇筑段所在壁面的位置对水池整体结构所受应力和壁面裂缝宽度也有很大影响，应该在设计过程中对半个浇筑单元的控制，做到减少或没有。采用特定浇筑模块数量进行建模，从图3 可以清楚看出，在不同浇筑区间内，温度的跳动范围也比较大。此模型虽然不能反映温差与浇筑单元长度的整体关系，但对于此种类似的工程具有参考作用，具有一定的实用价值。