浅析钢筋混凝土贮液池温-湿度作用效应计算及构造措施

浅析钢筋混凝土贮液池温\湿度作用效应计算及构造措施

摘要：分析了温、湿度作用对钢筋混凝土贮液池的影响，总结了贮液池温、湿度作用内力的计算方法，并对考虑温、湿度作用的贮液池设计和施工中需要采取的构造措施进行了阐述。

关键词：钢筋混凝土贮液池；温、湿度作用；构造措施

1 前言

在冶金行业中，钢筋混凝土贮液池的应用十分广泛，例如：水池、各类油池等。常见的贮液池形式有单格、多格矩形池、圆形池，并且有地上、半地下、地下三种布置方式。贮液池的容量一般由工艺决定，其形式和尺寸等主要根据使用要求、地质情况、材料供应、施工条件等方面来确定，因而在设计中需要考虑的因素较多，受力较复杂。

在贮液池的工程设计中，对于高温水池毋庸置疑须考虑温度作用，而常温水池一般是考虑池内液压、池外土压和地下水压的作用，易忽略温度、湿度变化所引起的内力。许多已建和在建的钢筋混凝土贮液池在施工、使用过程中，普遍存在因温、湿度变化产生的温度应力而导致开裂的现象，而温度裂缝的存在或多或少改变了设计时所预定的使用功能，留下安全和经济隐患。因此，在结构受力分析中，对池壁的计算，应充分考虑温、湿差作用效应的影响。

2 温、湿度作用

由于工艺要求、季节变化以及混凝土硬化过程中产生的水化热等，导致池壁产生膨胀或收缩，当这种变形受到约束时，便会在池体中产生相应的温度或湿度应力（或内力）。

温度作用一般分为两种形式，即池内水温与池外气温的不同而形成的壁面温差，及施工期间混凝土浇筑完毕时的温度与使用期间的季节最高或最低温度之差，这种温差沿壁厚不变，用池壁中面处的温差代表，称为中面季节温差。

由于混凝土具有湿胀干缩的物理性能，当池壁混凝土因含水量变化产生的变形受到约束时，就会产生湿差应力，湿度的计算包括壁面湿差和中面湿差两部分，为计算方便，可将湿差折算为“当量温差”计算，一般近似可按10 采用。

3温、湿度作用下的内力计算

温差和湿差所产生的内力计算是一个很复杂的问题，至今还没有圆满解决，实际工程中，对温、湿差所产生的内力，通常采用规范公式进行计算。

3.1壁面温差的计算（如图1所示）

（1）

图1 热传导简图

式中： ——壁板两侧表面的温差标准值（ ）；

——壁板厚度（m）；

——包括壁板在内以及两侧面层材料的第i层材料的厚度（m）；

——壁板材料的导热系数 ；

——相应第i层材料（含壁板在内）的导热系数 ；

、 ——构件表面与两侧介质的热交换系数 ；

n——组成构件截面的材质数量；

——内部介质温度（ ），可按年最低月平均温度采用；

——壁板外侧的大气温度（ ），可取年最低月的统计平均温度计算。

3.2 壁板中面季节温差的计算

（2）

式中： ——由于季节温差导致壁板中面的温差（ ）；

——壁板施工闭合时的大气温度（ ），设计时应根据工程及进展情况，判断施工时间，取该时间段内平均气温计算；

m——壁板外侧材料的数量。

3.3 矩形贮液池池壁内力计算

a）单向受力壁板

（3）

式中 k——系数，两端固定时，取 1 / 12；一端固定一端铰支承时，取 1 / 8；

——混凝土线膨胀系数；

——宽度，可取单位宽度 b = 1 m 计算；

——壁厚；

——端固定另一端铰支承时，计算截面至铰支承的距离；两端固支时，取 x

=H；

H——壁板的计算长度；

——折减系数，按0. 65 采用。

b) 双向受力壁板

（4）

式中 k——系数，四边固定时，取 0.1；其他情况按 x，y 方向查文献[1]或设计手册。

3.4圆形贮液池池壁内力计算

在壁面温差 的作用下：

（5）

式中 ——池壁的厚度；

——池壁材料的温度线膨胀系数；

——混凝土的泊松比；

——折减系数，按0.65采用。

此公式没有考虑单元构件类型和支承条件的差别，忽略了壁面温差引起的环向力，会给计算带来误差，只有当单元构件的两端皆固定时，计算结果才是精确的；当单元构件采取其它约束条件时，可选用文献[2]的查表法进行内力计算。

4 考虑温、湿度作用的钢筋混凝土贮液池设计

在贮液池设计中，温差和湿差不需同时考虑，对夏季应考虑湿差作用，对冬季应考虑温差影响而不考虑湿差。前者低温收缩与湿胀抵消；后者由于低温面的水分子浓度加大导致水分迁移，致使低温面湿度增加。因此设计时应取两者之大

值进行内力计算，并均属低温一侧受拉[2]。

对设有保温措施的有盖水池，无论是高温还是常温水池，一般可不计算温、湿度变化作用；对地下式水池，由于考虑土对其产生类似保温层的作用，一般也可不计算温、湿度作用。

对无保温措施的高温水池来说，为满足其工艺使用要求，在设计时必须计算温、湿度作用引起的附加内力，并与池内水压力和自重进行内力组合，选取控制截面进行设计。由计算公式可以看出，温、湿度内力Mt与池壁厚度h呈平方关系，在其他条件不变的情况下，h的增加会导致Mt显著增大，所以在设计时宜采用加大配筋的办法来控制池壁厚度。

中面季节温差作用通常对圆形水池并非必然起到控制作用，因此在结构设计中，需要结合具体条件确定是否纳入计算；对于矩形贮液池，为了消减水化热的影响，一般设置了伸缩缝，同时也消减了中面季节温差的作用，所以在其伸缩缝满足最大间距要求时，可不计中面温差的影响。

5 构造措施

钢筋混凝土贮液池属于应力状态十分复杂的特种结构。一般情况下，通过计算假定，采用近似简化分析的方法计算，达到实际使用要求。由于钢筋混凝土贮液池应力状态的复杂性，计算假定并不完全与实际受力状态吻合，不能单依靠理论计算解决问题。因此，对某些难以精确分析的因素要依靠概念设计和构造措施来解决。

5.1 伸缩缝的设置

对矩形钢筋混凝土水池，当平面尺寸较大时，应根据地基条件、工作环境和结构类型，设置适应温、湿度变化的伸缩缝。伸缩缝的构造特点是在设缝处留有一定空隙，无论混凝土或钢筋均在缝处中断，使两侧结构在温（湿）差变化下有一定伸缩变形能力。

5.2 施工缝的设置

施工缝的留置和构造做法应严格按规范有关要求进行，实践表明，传统的将混凝土施工缝做成凹凸型或阶梯型构造，虽从理论上能改变渗水路径、延长渗透路线，但因清理困难不便施工，实际效果并不理想。因此，建议采用留平直缝加设遇水膨胀橡胶腻子止水条或中埋式止水带做法。

5.3 后浇带的设置

后浇带是一种临时性的变形缝，是针对结构较长或体积较大的钢筋混凝土贮液池，为防止混凝土由于收缩和温差效应产生裂缝而采取的措施。后浇带的位置应设在受力和变形较小而收缩应力最大的部位，其宽度一般为0.8m~1.0m，可采

用企口缝或阶梯缝。此处钢筋不必断开，是一种取消永久性变形缝的较好办法。施工时要求后浇带两侧先浇筑的混凝土（龄期达到42天），在得到充分收缩变形后，采用具有一定补偿收缩性能的微膨胀混凝土进行浇筑，后浇带混凝土的抗渗性和强度等级应略高于两侧混凝土且养护时间不得少于28d。

5.4 其它技术措施

（1）圆形水池对温度作用比较敏感，当大气温度与池内液体温度差异较大时，除要考虑壁面温差作用外，尚应计算季节温差状态下上部非储水区与下部储水区的不同温差对池壁产生的附加影响，这种影响容易造成上端池壁的开裂，在钢筋的布置上，要对池壁上部的非储水区适当加强。

（2）在水池设计中，应尽量选择直径小、间距密的配筋方式，按全截面对称布置，均能起到温度配筋的作用，以改善应力集中，防止裂缝出现。

（3）夏季施工的水池，施工质量很关键，要特别注意混凝土的养护，不得少于14天，缓缓降温，减少温度应力，浇水次数应包持混凝土具有湿润状态，避免暴晒，确定合理的拆模时间。

（4）水池闭水试验后，池内应立即储水，不能长期空置，否则容易导致混凝土失水收缩，应抓紧管道安装并及时回填土。

（5）由于水泥砂浆的导湿系数仅为混凝土的40％，所以对于最低气温不低于-10℃的地区，可采用水泥砂浆面层，对减少夏季壁面湿差的计算值有显著的效果。

（6）对寒冷和严寒地区的半地下或地面水池，可采用池外壁挂钢板网抹保温砂浆；池外侧贴砌砖墙或轻集料混凝土小型空心砌块墙；池外壁做砌体墙，墙与池壁间留40~100mm的空气层或内填充岩棉板、沥青珍珠岩等保温材料，以减小温湿度对结构的影响，并加强整体刚度及保温防寒。

（7）对于大型钢筋混凝土贮液池，文献[3]提出无温度伸缩缝设计法，即不设温度伸缩缝，而是用无粘结预应力钢绞线，在池壁、底板水平方向均施加预应力，来解决温度应力问题，并在长春西郊污水处理厂曝气池（90.5m×103.7m×7m）工程中得到成功运用，带来良好的工程经济效益，对探索解决温度应力新途径非常具有参考价值。

6 结语

在目前的工程实际中，对于温（湿）差效应，多采用近似简化分析的方法计算，而精确计算分析还需采用有限差分法和有限单元法来完成。同时，对日照作用，目前很少考虑，致使有不少地面式贮液池在使用不久即出现裂缝，影响贮液池的可靠性，因此，当贮液池的夏季温差大于冬季温差时，有必要考虑日照作用下的温差效应[4]。