浅析壁面温差对地面式圆形钢筋混凝土水池池壁内力的作用规律

摘  要：考虑到圆形水池在承受内压时抗裂性能较差，本文通过圆柱壳理论和弯矩分配的计算方法，对整体式现浇钢筋混凝土圆形水池在不同壁面温差下池壁的受力特点进行分析。结果发现，壁面温差对水池池壁内力有着较大的影响，需设计人员予以高度重视。本文着重讨论了在壁面温差作用下，池壁内力的分布规律，为工程设计人员提供一定的参考。

关键词：地面式圆形水池;池壁内力;壁面温差;

1 前言

近些年，为贯彻国家的各项建设方针和政策，满足污水排放标准要求，提高水环境质量和功能目标，诸多污水处理厂在此时代背景下应运而生。而在污水处理工程中，圆形钢筋混凝土水池因其受力简单、便于施工、耐久性好以及经济指标高等优势而应用广泛，是澄清池、初沉池和二沉池等水处理构筑物首选的结构形式。在对中、大型以及超大型圆形钢筋混凝土水池进行结构设计及壁板内力计算时，水池内外的壁板温差常因不具有实体性而没有被设计人员引起足够的重视，导致在实际工程中有一些水池在壁板内外温差变化较大时，产生难以预料的温度应力，致使壁板开裂，进而局部的裂纹相互贯通，终造成渗漏，影响水池的正常使用。

本文运用圆柱壳理论和弯矩分配法，对一近3000m3的地面式敞口圆形钢筋混凝土整体式水池进行内力分析，着重研究池内外壁面温差对壁板内力的影响规律。

2 温度荷载对池壁的作用规律

本文所研究的圆形钢筋混凝土水池是敞口的且为地面式，同时并未对外露池壁提供相应的保温条件。《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》（以下简称《规范》）规定在结构计算时，需考虑壁面温差和湿度当量温差的作用，取两者中的较大值进行受力分析。因温度变化和湿度变化对结构的影响规律相似，所以在设计时，常将湿差等效为当量温差来计算。

温度变化对池壁结构的作用可分为壁面温差和中面温差。外界气温的变化、池内介质的温度变化以及混凝土浇筑时产生水化热等情况都会引发混凝土的膨胀或者收缩，在限制温度变形发展的同时就引发了温度应力。壁板两侧温度的差异则会引发温度较高的一侧趋于膨胀，而另一侧收缩。由于池壁结构是一闭合的整体，在各向约束下，温度较高的一侧因膨胀不可自由发展而产生压应力，另一侧因不能自由收缩而产生拉应力。同时，边界条件对圆形水池池体的约束也会引发温度应力。总之，无论何时，温度较低的那一侧壁板都是受拉的。当温度应力不断发展至混凝土抗拉极限强度时，将致使池壁结构出现裂纹，随后局部裂纹进而发展成为贯通裂缝，终会造成水池的渗漏。所谓中面温差，沿池壁厚度是恒定的，且由其产生的内力效应在荷载组合中并不起决定作用，故在设计时一般不予考虑。

3 工程概况

现以某污水处理厂一近3000m3的地面式圆形钢筋混凝土敞口澄清池为例，分析讨论在不同的壁面温差下，对池壁内力的影响及分布规律。该澄清池壁板高度5.011m，壁板厚度0.45m，澄清池内径13.25m，底板厚1m，为方便布置管线，将局部埋有管线的位置加厚至1.5m。澄清池内设计水深为5m，满水时为5.011m。池体外侧回填土高度仅为0.1m，埋深非常浅，故本文仅考虑将池内水压、池体自重及壁面温差相互组合的各种工况进行受力分析。

4 壁板内力计算原理

池壁在水平荷载作用下的受力条件通过水池壁板的计算高度H与圆柱壳的弹性特征系数S的比值来确定，其中r为圆柱壳的中线半径，h为壁厚。

由于水池底板内径较大，本文考虑按照弹性地基上的钢筋混凝土圆板对圆形水池底板进行受力分析。同时，采用弯矩分配法计算池体结构的内力。

5 壁面温差（∆t）的计算

壁面温差不单单是由池内介质温度与池壁外侧温度相减而得。还与池壁厚度、混凝土壁板的导热系数以及壁板与空气的热交换系数相关联。对于无保温措施的地面式钢筋混凝土水池，壁面温差可按下式计算获得：

其中，λc和βc分别为混凝土壁板的导热系数和混凝土壁板与壁板外大气之间的热交换系数，取λc=2.03，βc=23.26。TN和TA分别为壁板内侧介质的温度和壁板外侧大气的温度，正负号可直接代入公式计算。在工业废水去污处理时，水池内介质的温度往往会相對较高。故在实际设计时，与上游环保专业确保池内介质的实际工作温度是十分必要的。

6 池壁内力的分布规律

为考察温度荷载的作用效应，以及不同温差下壁板内力的分布。本文共设计5种工况对比分析。分别为：

工况1 池内水压+自重;工况2 池内水压+自重+温差（∆t=10）;

工况3 池内水压+自重+温差（∆t=20）;工况4 池内水压+自重+温差（∆t=30）;工况5 池内水压+自重+温差（∆t=-10）。

现已工况3（∆t=20℃）为例，分别对比结构自重、池内水压和温度荷载对池壁的内力的作用效应，各项计算结果如表1所示。对比发现，由温度荷载引起的壁板各项内力均远大于池内水压和自重的作用，所以壁面温差对池体结构内力的作用是不可忽视的，且要引起足够的重视。

由表2可知，仅考虑池内水压作用时，壁板上部外侧竖向受拉，沿着壁板向下，竖向弯矩逐渐变大，在0.6H处达到最值，池外壁在底端受压。当同时考虑水压与壁面温差作用时，竖向弯矩从壁板顶部开始向池底逐渐增大，均为外侧受拉，最大值约在壁板0.8H处。同时发现，当池壁内介质温度高于池壁外侧温度时，温差越大，壁板竖向弯矩越大，壁面温差对壁板竖向弯矩的作用效应明显。当池壁内介质温度低于池壁外侧温度时，发现由温差作用产生的温度应力对竖向弯矩是有利的，故在设计时可不予考虑。

由表3可知，仅考虑池内水压作用时，池壁外侧环向受拉，环向弯矩沿壁板从上至下逐渐变大，在底端为受压状态。同时考虑水压与壁面温差作用时，壁板微分体竖向截面上的环向弯矩Mθ使水池外壁水平向受拉，且沿壁板高度方向逐渐变大，但变化不大，在0.8H处达到最值。随着壁面温差的增大，环向弯矩也呈递增的趋势，相比竖向弯矩，环向弯矩随温差增大的变化幅度较大。同时发现，壁面温差作用对截面环向弯矩的贡献远大于池内水压的作用。

由表4可知，无论在壁板内水压作用下还是水压与温度荷载同时作用时，池壁外侧截面的环向力Nθ均为拉力。但不考虑温度荷载时，环向力在壁板中部达到最值。考虑壁面温差作用时，环向力Nθ在壁板顶端达到最大值，但沿壁板向下递减，同时，在壁板中部，相同位置处的环向力随壁面温差的增大有减小的趋势。根据环向力在壁板上的分布特点，对于敞口的圆形钢筋混凝土水池，常在壁板顶端一定范围内加强。同时，能够发现由壁面温差引起的环向力最值大大超过壁板内水压力的作用。

若在普通钢筋混凝土水池的计算时，发现环向弯矩与环向力非常大时，可考虑通过施加体外预应力的设计方法来解决这一难题，以控制竖向裂缝的产生。

7 结论

由本文计算发现，在无保温措施的地面式敞口圆形钢筋混凝土水池的受力分析中，壁板内力的大小受壁面温差∆t的影响很大，大大超过了由池内水压及自重引起的各项内力，对池壁的水平抗裂起决定性作用，且内力最值多集中在0.6H～0.8H处，建议增加这部分的配筋率，需设计人员不断的试算以选取合适的结构方案。

在大部分污水处理工程中，均会面临壁板内外温差过大的情况。经上述计算分析，提出以下几点建议以便改善今后的设计工作：

（1）各专业的设计人员需密切配合，工艺人员在要设计初期就优化提出条件，提供接近工程实际状态的设计条件，从而得到相对准确的∆t。

（2） 从结构方案出发，可与工艺设计人员协调，选用地下式或半地下式的有盖钢筋混凝土水池。或者，对于地面式的混凝土水池提供一定的保温条件来控制池内外的壁面温差。

（3） 从结构设计的角度出发，加大池壁厚度能够有效提高截面的弹性抵抗矩，进而提高其抗裂能力。但厚度过大，可能会在现场施工时，引发大体积混凝土内部产生大量水化热，与壁板外表面形成较大温差而引发温度应力，对池体结构造成不利影响，这也需要在设计时给予考虑。同时在构造设计时，可考虑如控制钢筋间距、配置构造钢筋及设置伸缩缝来释放收缩、温度作用等措施来满足抗裂需求。但伸缩缝的设置对壁板的受力较为不利，应综合衡量进而确定最合适的设计方案。

（4） 对于池内外温度相差悬殊的地面式大型水池结构，若普通混凝土结构难以满足池壁的抗裂要求，或者经济指标较差时，则可考虑施加体外预应力的方法来解决。

References：

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作者简介：李琛，男，2015年毕业于东北石油大学 建筑与土木工程专业，硕士，长期从事结构设计工作，工程师。