高溫水池池壁結(jié)構(gòu)分析

王 萱 趙星明

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

高溫水池池壁結(jié)構(gòu)分析

王 萱 趙星明

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

結(jié)合某高溫水池的具體情況，研究分析了壁面溫差對(duì)鋼筋混凝土圓形水池池壁的影響，利用有限元通用軟件ANSYS，模擬了池壁應(yīng)力的分布規(guī)律，并提出了結(jié)構(gòu)修復(fù)加固方案。

池壁，模擬分析，壁面溫差，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

北方地區(qū)某洗滌水沉淀池，為鋼筋混凝土地面水池，外徑為28 m，池高3.9 m，壁厚0.3 m，結(jié)構(gòu)材料為C25混凝土和HPB235鋼筋。沉淀池處理的洗滌水溫度為47 ℃，使用一段時(shí)間后，池壁外表面出現(xiàn)豎向裂縫，局部裂紋已經(jīng)貫通整個(gè)池壁，滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重。為了對(duì)沉淀池進(jìn)行修復(fù)加固，需要對(duì)池壁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。研究在受力最不利情況下池壁內(nèi)應(yīng)力大小及分布，驗(yàn)證分析池壁開裂的主要原因，結(jié)合應(yīng)力分布規(guī)律提出加固方案，探索鋼筋混凝土圓形水池結(jié)構(gòu)模擬分析技術(shù)。

1 壁面溫差對(duì)池壁結(jié)構(gòu)影響分析

1.1 壁面溫差

當(dāng)池壁兩側(cè)的溫度不同時(shí)就存在壁面溫差，池壁溫度高的一側(cè)膨脹增大，圓形池壁的曲率將發(fā)生變化。曲率的改變會(huì)受到池壁自身的阻礙，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。另外，池壁的變形受到邊界約束條件的限制，也會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。壁面溫差與池壁厚度、池壁導(dǎo)熱

系數(shù)和池壁內(nèi)外溫差等有關(guān)，其計(jì)算公式[1]為：

(1)

其中，h為池壁厚度，m；λi為池壁導(dǎo)熱系數(shù)，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為2.03 W/(m·K)(冬季)；βi為池壁與空氣間的交換系數(shù)，取23.26 W/(m2·K)；Tn為池壁內(nèi)水溫；Tw為池壁外氣溫，本例冬季室外最低溫度為-16 ℃。用式(1)可計(jì)算得到池壁的最大壁面溫差為48.77 ℃。

1.2 結(jié)構(gòu)模擬

利用ANSYS有限元程序的Modeling和Meshing模塊建立三維幾何模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成有限元模型[2]。使用Thermal熱分析模塊進(jìn)行熱分析，經(jīng)“Thermal to Struc”單元轉(zhuǎn)換功能，將得到的池體溫度分布情況傳遞到結(jié)構(gòu)單元。最后利用Structural結(jié)構(gòu)分析模塊完成沉淀池池壁結(jié)構(gòu)的熱—結(jié)構(gòu)耦合模擬[3]。其中，結(jié)構(gòu)單元選用三維實(shí)體殼單元Solsh190，池壁配筋雙層雙向鋼筋Φ12@200，按最大壁面溫差考慮。

1.3 模擬結(jié)果分析

熱—結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)果，通過“General Postproc/Plot Results”可得到環(huán)向正應(yīng)力云圖、徑向正應(yīng)力云圖和豎向正應(yīng)力云圖，如圖1～圖3所示。圖1中，池壁外側(cè)環(huán)向正應(yīng)力沿墻高度上部大、下部小，均為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為11.3 N/mm2；池壁內(nèi)側(cè)環(huán)向正應(yīng)力沿墻高度上部大、下部小，均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值為7.51 N/mm2。外側(cè)最大環(huán)向拉應(yīng)力遠(yuǎn)超過C25混凝土的抗拉強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=1.78 N/mm2)，出現(xiàn)豎向裂縫是必然的。

圖2中，池壁徑向正應(yīng)力相對(duì)較小，沿墻厚方向外側(cè)小、內(nèi)側(cè)大，均為拉應(yīng)力；沿高度底部正應(yīng)力大，最大徑向拉應(yīng)力值為1.59 N/mm2。

圖3中，池壁外豎向正應(yīng)力沿墻高度上部小、下部大，均為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為9.54 N/mm2；池壁內(nèi)側(cè)豎向正應(yīng)力沿墻高度上部大、下部小，均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力值為9.65 N/mm2。

由以上分析可得，對(duì)于壁面溫差較大的特殊用途大中型混凝土水池，在壁面溫差及水壓力作用下池壁外側(cè)的拉應(yīng)力可能很大，很難避免裂縫產(chǎn)生。為了避免池壁開裂、抑制裂縫寬度過大，應(yīng)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，或采取其他措施。

2 裂縫修復(fù)及加固方案分析

根據(jù)目前結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，池壁結(jié)構(gòu)修復(fù)加固方案很多，如鋼板加固法、預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固法、碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固法等等[4]。根據(jù)本工程具體特點(diǎn)，可以選擇的基本方案有：

1)在水池外側(cè)增設(shè)鋼板環(huán)箍加固的方法。對(duì)于圓形水池池壁加固，采用這種方案的優(yōu)勢(shì)是施工較為簡(jiǎn)單，有較成熟的加固經(jīng)驗(yàn)，具體鋼板環(huán)箍的尺寸、位置和數(shù)量須通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定[5]。

2)在水池外側(cè)做鋼筋混凝土柱，沿環(huán)向設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線來加固水池。這種方案加固后需要注意預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)，有關(guān)構(gòu)造要求可參考CECS 216:2006給水排水工程預(yù)應(yīng)力混凝土圓形水池結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[6]。

3)在水池外貼碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固。碳纖維通過環(huán)氧樹脂與池壁粘貼，能可靠地與鋼筋混凝土池壁共同工作。碳纖維具有彈性模量大，密度小，抗疲勞強(qiáng)度高，耐久性能好，抗腐蝕，柔性好等優(yōu)點(diǎn)。另外，樹脂具有良好的防水性能，對(duì)混凝土的劣化及鋼筋的腐蝕起到抑制作用，且耐酸、堿、鹽及腐蝕。碳纖維補(bǔ)強(qiáng)加固能最大限度地保留水池結(jié)構(gòu)原來特點(diǎn)和外形，與傳統(tǒng)加固方法相比有著卓越的效果[7]。外貼碳纖維的有關(guān)構(gòu)造可參考CECS 146：2003碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2007版)。

加固方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于粘貼碳纖維布和粘鋼加固的一般經(jīng)驗(yàn)是：當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)所需面積較小的普通小荷載結(jié)構(gòu)或構(gòu)件、粘貼碳纖維布1層～2層即可滿足要求時(shí)，優(yōu)先選用粘貼碳纖維布加固方案，其經(jīng)濟(jì)性和施工操作性優(yōu)勢(shì)明顯；當(dāng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)所需面積較大時(shí)，優(yōu)先選用粘鋼加固方案，可大幅提高結(jié)構(gòu)的承載力或受力性能，并取得良好的經(jīng)濟(jì)性；將上述方法進(jìn)行組合也是一種不錯(cuò)的加固方案，即在池壁外先采用纖維加固，再在池壁頂部、中部和底部設(shè)置鋼板箍加固。

所有加固方案在實(shí)施前均需要經(jīng)過方案設(shè)計(jì)論證確定。加固實(shí)施的主要環(huán)節(jié)：對(duì)開裂部位做必要的清除、防銹及灌縫處理；然后用高壓水沖洗干凈，用高標(biāo)號(hào)水泥砂漿抹箍，使之基面平滑；水泥砂漿達(dá)到強(qiáng)度后，進(jìn)行最終加固及加固后評(píng)估[8]。

3 結(jié)語

1)地上鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)，當(dāng)池內(nèi)水有一定的溫度時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮溫差作用影響。

2)利用ANSYS進(jìn)行水池池壁分析，關(guān)鍵的是選擇單元類型與要分析的問題密切結(jié)合。本例采用Solsh190單元模擬，能較準(zhǔn)確表達(dá)出池壁內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分布，驗(yàn)證裂縫出現(xiàn)的原因及方向。

3)開裂水池加固方案很多，加固方案的選用應(yīng)結(jié)合具體工程，應(yīng)該進(jìn)行方案優(yōu)化。

[1] 《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫委員會(huì).給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：393-430.

[2] 王 萱，趙星明，王 慧，等.基于ANSYS的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)三維實(shí)體建模技術(shù)探討[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,35(1):113-117.

[3] 張洪才.ANSYS 14.0工程實(shí)例解析與常見問題解答[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013:153-160.

[4] 徐志武，廖新雪，劉文劼.粘貼碳纖維布與粘鋼加固方法的適用性對(duì)比分析[J].重慶建筑,2009,66(4):25-27.

[5] 王慧英.鋼筋混凝土圓形水池裂縫分析與處理[J].寶鋼科技,2009,35(2):67-69.

[6] 唐穎棟.鋼絞線在水池加固中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù),2011,42(12):1070-1074.

[7] 胡金旭.鋼筋混凝土水池溫度裂縫的分析及碳纖維加固處理[J].工業(yè)建筑,2011,41(8):130-133.

[8] 張鵬飛，孫全勝.復(fù)合砂漿預(yù)應(yīng)力鋼絲繩加固實(shí)橋的試驗(yàn)分析[J].建筑結(jié)構(gòu),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； 趙星明(1964- )，男，副教授

1009-6825(2014)27-0041-03

TU311.4

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