水处理热水池温度应力有限元分析

摘 要：该专题通过有限元分析了两个水工结构的温度应力，说明露天水池结构由温湿度作用引起的内力是不容忽视的，必须引起设计人员的足够重视。

关键词：露天水池 结构 温湿度 内力

中图分类号：TV621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-0-02

净水或污水处理厂的水池投资约占土建投资的70%～80%，水池设计的虑安全性、适用性、耐久性和经济合理性尤为重要。水池受力需要考虑水池自重、池内水压力、池外土压力、池内外温差及湿差、地面堆载等荷载。池壁通常按照手册计算水及土压力、温差等。架空热水池底板的温度应力，通常按经验考虑，受力状态缺乏理论分析。在北方冬夏温差大，池壁应充分考虑温、湿差产生的内力影响。依据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程CECS138：2002》（简称《水池规程》），利用SAP2000有限元软件，对两个水池进行分析，为水池设计提供参考（图1）。

1 工程概况

天津某厂二次平流沉淀池，平面为矩形，尺寸42.9 m×14.6 m，水池深3.9～4.15 m，地上3.6 m，冬季池内水温30 ℃，水池无保温措施。（水池剖面见图1）

又天津某厂浓缩池，圆形，直径12 m，高4.5 m，采用8根柱子支撑于直径10 m的调节池上，调节池地上4 m。冬季池内水温为35 ℃。（水池剖面见图2）

2 混凝土池壁温度、湿度应力应变关系

由于混凝土热胀冷缩的特性：夏天池壁外侧热内侧冷，壁板外侧膨胀内侧收缩，受池体整体约束，外侧产生压应力，内侧产生拉应力；冬季，池内水温高，存在壁面温差，壁板内侧膨胀外侧收缩，受池体整体约束，则内侧产生压应力，外侧产生拉应力。另外，由于混凝土的湿胀干缩，夏天池壁外侧很干，内侧湿度饱和，所以内侧膨胀，外侧收缩。冬季，外界气温低，池壁内外侧湿度相差不大，通常不考虑湿差应力。但此时内外温差仍存在，故冬季只需考虑壁面温差应力。

3 有限元计算基本假定和温度变化模拟

计算时假定地基对水池底板不产生约束，混凝土为各向同性材料，混凝土弹性模量3.00E+04（N/mm2），混凝土线膨胀系数1.00E-05（1/ ℃），泊松比0.2。在SAP2000中指定两个独立的荷载温度场。温度t在厚度内恒定且产生膜应变；温度梯度t3，在厚度方向为线性，且产生弯曲应变。

温度荷载t在壳单元内产生的温度应变等于材料的温度膨胀系数和单元温度改变的乘积。温度改变由从单元参考温度到单元加载温度的变化来计算。温度梯度通过在单位长度上的温度变化来定义。若温度在单元局部3轴正方向（线性地）增加，则温度梯度为正值。在中间面梯度温度为零，因此不产生膜应变。

两个温度场在单元平面上可以是恒定的，或由在节点给定值插值而得。水池壁面温差采用温度梯度t3来模拟，由于混凝土徐变和产生裂缝后刚度的降低等因素能显著的降低结构温度内力，因此温度引起的内力应乘以折减系数0.65（取《水池规程》第6.1.10条的ηs值）。

4 内力组合

水池设计常考虑以下3种荷载组合：（1）池内水压+自重；（2）池外土压+自重；（3）池内水压+自重+冬季温差。前2种组合，对地下和半地下水池（当有地下水时，还应包括地下水压）为基本荷载组合，水池建成运行前及水池放空期间均属此荷载组合。第3种组合，当池壁冬季温差大于夏季池壁的湿差（当量温差）时，属于最不利组合。

5 矩形水池池壁温差内力计算

导热系数（一侧空气一侧水）λc为2.03（W/（mK）），热交换系数（冬季混凝土与空气之间）βc为23.26（W/（m2K）），最低月平均气温TA为-4.8（ ℃），介质计算温度TN为30（ ℃），壁板厚度h=0.6（m），根据《水池规程》式4.3.5池壁温差。

℃

按三边固定，顶端自由计算，壁板高HB=4.2 m，壁板宽LB=12 m，LB/HB=2.86，按《水池规程》第6.1.10条计算与有限元计算（已经考虑ηs折减系数）对比见表1，有限元计算结果见图3、图4。

根据表1，有限元计算的温度内力稍大于查表计算，符合较好。

6 圆形水池温度应力

圆形水池中引起的温度应力较复杂，除池壁存在壁面温差外，架空池底也存在壁面温差，温度也不像矩形水池分布均匀。（池壁、池底内力计算详见表2、表3）。有限元模型采用壳单元模拟池壁和池底板，线单元模拟梁柱。采用节点模式施加流体压力，壁面温差采用3-3轴温度梯度施加，温差引起的内力见图5-图8（已经考虑ηs折减系数），池内水压力引起的内力见图9-图12。

7 结语

计算可知：温湿度引起的内力不容忽视。即使不是热水池，按《水池规程》第4.3.5-3条考虑，暴露在大气中湿度当量温差为10 ℃引起的内力是30 ℃温差的1/3，其作用相当可观。矩形水池壁面温差按规程计算的温度内力，与有限元计算相差不大，复杂体型热水池的温度应力就必须用有限元计算。池壁外露的水池，必须考虑温、湿度对池壁抗裂性能的影响，合理进行结构布置，采取必要的构造措施，制定切实的施工方案和加强养护，确保工程质量。

参考文献

[1]CECS给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[M].中国建筑工业出版社，2002：138.

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[3]高健磊，李冰，李平先，等.钢筋混凝土矩形水池温、湿度应力计算与构造设计[J].四川建筑科学研究，2005（10）.

[4]给排水工程结构设计手册[M].中国建筑工业出版社，1984.

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