王 萱 趙星明

(山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

高溫水池池壁結構分析

王 萱 趙星明

(山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

結合某高溫水池的具體情況，研究分析了壁面溫差對鋼筋混凝土圓形水池池壁的影響，利用有限元通用軟件ANSYS，模擬了池壁應力的分布規律，并提出了結構修復加固方案。

池壁，模擬分析，壁面溫差，鋼筋混凝土結構

北方地區某洗滌水沉淀池，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，結構材料為C25混凝土和HPB235鋼筋。沉淀池處理的洗滌水溫度為47 ℃，使用一段時間后，池壁外表面出現豎向裂縫，局部裂紋已經貫通整個池壁，滲漏現象嚴重。為了對沉淀池進行修復加固，需要對池壁進行結構分析。研究在受力最不利情況下池壁內應力大小及分布，驗證分析池壁開裂的主要原因，結合應力分布規律提出加固方案，探索鋼筋混凝土圓形水池結構模擬分析技術。

1 壁面溫差對池壁結構影響分析

1.1 壁面溫差

當池壁兩側的溫度不同時就存在壁面溫差，池壁溫度高的一側膨脹增大，圓形池壁的曲率將發生變化。曲率的改變會受到池壁自身的阻礙，產生溫度應力。另外，池壁的變形受到邊界約束條件的限制，也會產生溫度應力。壁面溫差與池壁厚度、池壁導熱

系數和池壁內外溫差等有關，其計算公式[1]為：

(1)

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

1.2 結構模擬

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

1.3 模擬結果分析

熱—結構耦合分析結果，通過“General Postproc/Plot Results”可得到環向正應力云圖、徑向正應力云圖和豎向正應力云圖，如圖1～圖3所示。圖1中，池壁外側環向正應力沿墻高度上部大、下部小，均為拉應力，最大拉應力值為11.3 N/mm2；池壁內側環向正應力沿墻高度上部大、下部小，均為壓應力，最大壓應力值為7.51 N/mm2。外側最大環向拉應力遠超過C25混凝土的抗拉強度(抗拉強度標準值ftk=1.78 N/mm2)，出現豎向裂縫是必然的。

圖2中，池壁徑向正應力相對較小，沿墻厚方向外側小、內側大，均為拉應力；沿高度底部正應力大，最大徑向拉應力值為1.59 N/mm2。

圖3中，池壁外豎向正應力沿墻高度上部小、下部大，均為拉應力，最大拉應力值為9.54 N/mm2；池壁內側豎向正應力沿墻高度上部大、下部小，均為壓應力，最大壓應力值為9.65 N/mm2。

由以上分析可得，對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的拉應力可能很大，很難避免裂縫產生。為了避免池壁開裂、抑制裂縫寬度過大，應采用預應力鋼筋混凝土結構，或采取其他措施。

2 裂縫修復及加固方案分析

根據目前結構加固技術，池壁結構修復加固方案很多，如鋼板加固法、預應力鋼絞線加固法、碳纖維補強加固法等等[4]。根據本工程具體特點，可以選擇的基本方案有：

1)在水池外側增設鋼板環箍加固的方法。對于圓形水池池壁加固，采用這種方案的優勢是施工較為簡單，有較成熟的加固經驗，具體鋼板環箍的尺寸、位置和數量須通過優化設計確定[5]。

2)在水池外側做鋼筋混凝土柱，沿環向設置預應力鋼絞線來加固水池。這種方案加固后需要注意預應力筋的保護，有關構造要求可參考CECS 216:2006給水排水工程預應力混凝土圓形水池結構技術規程[6]。

3)在水池外貼碳纖維補強加固。碳纖維通過環氧樹脂與池壁粘貼，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，抗疲勞強度高，耐久性能好，抗腐蝕，柔性好等優點。另外，樹脂具有良好的防水性能，對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。碳纖維補強加固能最大限度地保留水池結構原來特點和外形，與傳統加固方法相比有著卓越的效果[7]。外貼碳纖維的有關構造可參考CECS 146：2003碳纖維片材加固混凝土結構技術規程(2007版)。

加固方案各有優缺點，對于粘貼碳纖維布和粘鋼加固的一般經驗是：當補強所需面積較小的普通小荷載結構或構件、粘貼碳纖維布1層～2層即可滿足要求時，優先選用粘貼碳纖維布加固方案，其經濟性和施工操作性優勢明顯；當結構補強所需面積較大時，優先選用粘鋼加固方案，可大幅提高結構的承載力或受力性能，并取得良好的經濟性；將上述方法進行組合也是一種不錯的加固方案，即在池壁外先采用纖維加固，再在池壁頂部、中部和底部設置鋼板箍加固。

所有加固方案在實施前均需要經過方案設計論證確定。加固實施的主要環節：對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，用高標號水泥砂漿抹箍，使之基面平滑；水泥砂漿達到強度后，進行最終加固及加固后評估[8]。

3 結語

1)地上鋼筋混凝土水池結構，當池內水有一定的溫度時，結構設計應充分考慮溫差作用影響。

2)利用ANSYS進行水池池壁分析，關鍵的是選擇單元類型與要分析的問題密切結合。本例采用Solsh190單元模擬，能較準確表達出池壁內外側應力分布，驗證裂縫出現的原因及方向。

3)開裂水池加固方案很多，加固方案的選用應結合具體工程，應該進行方案優化。

[1] 《給水排水工程結構設計手冊》編寫委員會.給水排水工程結構設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2007：393-430.

[2] 王 萱，趙星明，王 慧，等.基于ANSYS的鋼筋混凝土結構三維實體建模技術探討[J].山東農業大學學報(自然科學版),2004,35(1):113-117.

[3] 張洪才.ANSYS 14.0工程實例解析與常見問題解答[M].北京:機械工業出版社，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用[J].建筑技術,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].工業建筑,2011,41(8):130-133.

[8] 張鵬飛，孫全勝.復合砂漿預應力鋼絲繩加固實橋的試驗分析[J].建筑結構,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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