封闭容器温度效应在结构工程中的影响及对策.pdf

Engineering Construction282023年6 月建设程第6 期第55卷封闭容器温度效应在结构工程中的影响及对策凌伟生（湖南省建筑设计院集团股份有限公司，湖南长沙410 0 0 6）摘要：温度应力是导致结构开裂的重要因素。对于封闭容器型结构，即使严格按照规范设置伸缩缝，在施工期内仍然出现开裂的情况，对其原因进行研究具有重要的技术价值。本文通过对某水厂叠合水池下层封闭空间外墙开裂原因分析，揭示了在施工期内昼夜温差应力效应是导致封闭容器型结构开裂的主要原因，提出结构设计中的“封闭容器温度效应”概念，并总结了相关对策及处理措施，可为同类建（构）筑物结构设计及施工提供借鉴。关键词：叠合池；封闭容器；伸缩缝间距；昼夜温差应力；温度应力；结构工程中图分类号：TU991.34*3文献标识码：A文章编号：16 7 3-8 9 9 3（2 0 2 3)0 6-0 0 2 8-0 7doi:10.13402/j.gcjs.2023.06.073The influence and countermeasures of temperature effectclosed container in structural engineeringLING Weisheng(Hunan Architectural Design Institute Group Co.,Ltd.,Changsha 410006,Hunan,China)Abstract:Temperature stress is an important factor leading to structural cracking.For closed container structure,even ifthe expansion joint is set strictly in accordance with the specification,cracks occur during the construction period,and it isof important technical value to study the reasons.Based on the analysis of the reasons for the cracking of the outer wall ofthe lower closed space of the superimposed tank in a water plant,this paper reveals that the diurnal temperature differencestress effect is the main reason for the cracking of the closed container structure during the construction period,the conceptof“closed container temperature effect in structural design is put forward,and the relevant countermeasures and treatmentmeasures are summerized,which can provide references for the design and construction of similar structures.Key words:laminated tank;closed container;expansion joint spacing;diurnal temperature difference stress;temperature stress;structural engineering随着我国城镇化率的逐步提高，市政类蓄水构筑物也向大型、超长、复杂结构发展。由于混凝土本身是由水泥、骨料、水组合而成，属于脆性材料，混凝土结构在受力状态下出现裂缝是一种普遍存在的现象。研究导致混凝土结构产生有害裂缝的原因及控制裂缝的措施，是工程建设的实际需要。闽京涛 分析了给排水工程构筑物的裂缝成因，得出了混凝土干缩及温度应力是产生结构裂缝的主要原因的结论，并提出了控制裂缝产生的相关措施；赵新等2 通过对罐体混凝土结构实验舱在日照条件下的温度应力分析，发现太阳辐射造成的温度应力不仅可能造成表层混凝土的开裂，还可能危及结构安全，得出了在该类型结构设计中应考虑由于太阳辐射造成的温度应力的结论；吴伟等3 研究了超长水池结构的温度应力计算，提出了放宽伸缩缝间距的措施。关于温度应力，大多侧重温度应力的计算方法研究、材料措施研究、构造措施研究，以及超长结构、大体积混凝土结构在温度应力作用下的裂缝控制措施研究。但在相关从业经历中，工作收稿日期：2 0 2 3-0 1-13作者简介：凌伟生（19 6 5一），男，高级工程师，副总工程师，从事市政结构工程设计工作。mmDIJ292023年第6 期凌伟生：封闭容器温度效应在结构工程中的影响及对策人员经常遇到诸如叠合池、有盖水池、空中水箱等构筑物，此类构筑物有一个共同特征，就是都带有封闭空腔，类似一个“封闭容器”，俗称“闷罐子”。对于此类结构，即使严格按相关规范设置了伸缩缝，但仍然会出现施工期内开裂现象。而以前很少有人就此类结构在昼夜温差应力作用下开裂进行研究，本文通过对长沙市某水厂的叠合式反应、沉淀、清水池外墙开裂情况采用Midas/civil有限元软件建模进行分析，阐明“封闭容器”型结构最终出现结构开裂的原因，并对相关对策及裂缝修补措施进行总结，以期对其他类似工程的设计与施工提供借鉴。1工程概况1.1叠合反应、沉淀、清水池构型基本情况长沙市某水厂叠合反应、沉淀、清水池规模为10 万m/D，共3 组池，3 组池之间采用完全分离的缝隔开，其中1组池如图13 所示。上层反应沉淀池平面净空尺寸为16 m104.5m，高度为3.4m，池中部设一道导流墙；下层清水池平面净空尺寸为16 m93m，高度为4.6 5m，池中部设3道导流墙，清水池外墙共设6 个通风柜，通风洞口尺寸为7 0 0 mm250mm，导流墙上设40 0 mm300mm通风孔。共设5条伸缩缝，最大伸缩缝间距为18.6 9 m，池体结构混凝土强度等级C30，抗渗等级P6，另外掺加了8%UEA混凝土膨胀剂，外墙两侧配水平构造钢筋12 150 mm。1.2地质条件建设场地位于山丘北面，自上而下，其典型的地层分布：层耕植土，层厚0.50 1.2 0 m，层粉质黏土，层厚2.0 0 3.40 m，地基承载力特征值为18 0 kPa；层强风化泥质板岩，厚度为0.6 0 4.80m，地基承载力特征值为3 0 0 kPa；层中风化泥质粉砂岩，揭露厚度为6.50 15.6 0 m，地基承载力特征值为10 0 0 kPa。该水池座落在山丘开挖后的强风化泥质板岩地基上，局部坑洼区域采用C20素混凝土填至设计标高。爬梯00080.00m(45.40)刮泥桁车导流墙000.91伸缩缝000配水花格墙排水沟排水沟伸缩缝伸缩缝00080爬梯2.5000250300760018690185003+60-55560303002093030001688020011500（反应池）93000（沉淀池）500104500图1反应沉淀池平面示音（上层）mm检修、通风柜A000+000t通风孔00091400300000t000t排泥沟伸缩缝-4.65m伸缩缝18690185003+60-5556016880309300030A图2清水池平面示意（下层）30建设程第6 期第55卷3.400m中中中中中中中中中口口口口口口00口0.000mOSO81.200m0S9f8250250250-4.65m3004.0004.0004.0004.00030016.000图3A-A剖面mm1.3建设时序及验收情况底板施工于2 0 0 3 年5月底完成，8 月底清水池封顶，全部主体工程于10 月中旬完工。依据给水排水构筑物工程施工及验收规范（GB50142008）4 规定，水池主体验收前，必须进行满水试验，满水试验合格后方可回填水池周围土方。因此，在主体验收之前的整个施工期内，池体完全暴露在空气中。主体验收前发现，清水池外墙在离端墙2 3 m、离伸缩缝3 5m处开始出现规律性的间距3 5m垂直裂缝，裂缝宽度约为0.2 0.3 mm，且集中在外墙中部1/3 高度范围内，而同一位置处的上层沉淀池外墙没有裂缝（图4）。上层沉淀池池壁未见裂缝o1-803m35m-5m端墙180伸缩缝40018690300图4清水池池壁裂缝分布示意mm2结构计算复核池壁开裂一般由以下几种原因引起：地基沉降、混凝土干缩、池内外水土荷载效应及温度应力。工程地基为岩石地基，承载力高，沉降可以忽略不计；施工期内池外无土、池内无水，荷载效应的因素可以排除；在采用微膨胀抗渗混凝土、拆模时间及养护均符合要求的前提下，即使混凝土仍发生干缩开裂，裂缝开展应该是局部的、浅表的。按给水排水工程构筑物结构设计规范（CB50 0 6 9 2 0 0 2）5】第6.2.1条规定，池伸缩缝最大间距可取2 0 m，原设计取值为18.6 9 m，符合规范要求。依据CB500692002第4.3.6.2 条注2 规定，结构设计可不计算温、湿度变化对壁板中面的作用，温度应力的影响似乎也不大。为找出导致池壁开裂的原因，根据施工日志，统计出清水池施工期内环境温度如下：7 月白天环境温度为3 0 3 5，夜晚环境温度为2 8 3 0；89月白天环境温度为3 0-3 8，最高地表温度达到55，夜晚环境温度为3 0 3 5。根据同类工程实测数据，气温最高月，清水池池内温度可达50。初步判断，施工期内夜温差应力是导致池壁开裂的主要原因，而且“封闭容器”构型加强了温差效应选取池体最长段（18.6 9 m），采用Midas/civil有限元软件建模，对叠合池进行温度应力场模拟计算。计算采用0.5m0.5m板单元，边界条件采用节点弹性支撑模型，地基基床系数k=135000kN/m，k,=k,=80 000 kN/m2.1工况一工况一为池内温度低、池外温度高工况。清水池封顶后，池内初始温度约为3 0，每日中午12:00至下午2:0 0 高温日照时，池体外表面温度取值45，此时清水池内外温差T=15，沉淀池为口池，池内外温升、温降同步，昼夜温差取值T=0。模拟计算结果如图5、6 所示。计算结果表明，外墙外侧处于受压状态，外墙内侧处于受拉状态，拉应力值在1.1 3.43 MPa之间，且在伸缩缝边、池壁上部离顶板1.0 2.0 m高度区域出现应力集中。取弯矩Mmax=51.8kNm/m，依据给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程3 复核计算，最大裂缝宽度max=0.314mm，大于规范限值0.2 mm。从应力云图可以看出，外墙应力集中区域与清水池实际裂缝开展的区域极度吻合，应力云图同时表明在昼夜温差T=0的沉淀池池壁上不会开裂，也说明伸缩缝间距取值是可行的。2.2工况二工况二为池内温度高、池外温度低工况。清水池池内不断蓄热升温，最高温度按T=48取值，夜晚降温后，池体外表面温度取值3 0，清水池内外温差T=18，沉淀池T=0。模312023年第6 期凌伟生：封闭容器温度效应在结构工程中的影响及对策应力/MPa应力/MPa+3.44314100+3.44 314100+2.85657100+2.85657100+2.27999100+2.27999100+1.70342100+1.70342100+1.12685100+1.12685100+5.5027710-1+5.5027710-100-6.0286810-1-6.02 86810-1-1.17944100-1.17944100-1.75.601100-1.75 601100-2.33259100-2.33259100-2.90916100-2.90916100图5工况一温度应力云图弯矩/(kNmm)7+5.17804101+4.70731101+4.23658101+3.76586101+3.29513101+2.82440101+2.35367101+1.88295101+1.41 222101+9.4149210+4.70.765101+3.73.93510-1图6工况一弯矩图拟计算结果如图7、8 所示。计算结果表明，外墙外侧处于受拉状态、外墙内侧处于受压状态，拉应力值在1.1 4.53 MPa之间，且在伸缩缝边、池壁下部离底板1.0 2.50 m高度区域出现应力集中。取弯矩Mmax=54.4kNm/m，依据给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程（CECS 13 8:2 0 0 2）复核计算，最大裂缝宽度 max=0.336mm，大于规范限值0.2 mm。比较工况一、工况二应力云图，两种工况下，应力集中区域成反对称状态，外墙在这种反对称拉应力循环作用下，裂缝最终实现上下合拢、沿截面贯通。这与实际情况也是高度吻合的。应力/MPa应力/MPa+4.53.787100+4.53.787100+3.85558100+3.85558.100+3.17328100+3.17328100+2.49098100+2.49098100+1.80868100+1.80 868100+1.12.639100+1.12639100+4.44 090101+4.44.09010l00-9.20 50310-1-9.2050310-1-1.60280100-1.60280100-2.28510100-2.28510100-2.96739100-2.96739100图7工况二温度应力云图弯矩/（kNmm）5.668341000-5.25734100-1.07202101-1.6183010l-2.1645910!-2.71087101-3.2571510-3.80344101-4.34972101-4.89600101-5.44229101图8工况二弯矩图从以上分析可以得出，施工期内，高温环境下，封闭容器内因散热不善而不断蓄热，两种工况的昼夜温差应力交叉、循环作用是导致池墙开裂的主要原因32建设程第6 期第55卷2.3地基基床系数的影响分析地基基床系数就是弹性半空间地基上某点所受的法向压力与相应位移的比值，又称温克尔系数。水池座落在不同的地基上，地基对水池的约束不同，研究不同地基条件下的温差应力对水池结构的影响差异，具有现实的指导意义。下面选取工况二（池内温度高、池外温度低）建立9 个不同土壤地基条件下的Midas/civil模型，进行分析对比。地基与基础（第三版）7 列出了不同土层的基床系数取值范围，如表1所示。基床系数K值的确定比较复杂，它不是单纯表征土的力学性质的计算指标，还受基底压力的大小和分布、压缩性、土层厚度、邻近荷载等因素的影响。在同一类土中，相对偏硬的土K取大值，偏软的土K取小值，若考虑垫层的影响还可取大些，当有多种土层时，应按土的变形情况取加权平均值。本文对Kz取平均值，K、K,按K=K,取最低值计算，计算结果如表2 所示。表1各种土壤基床系数取值表基床系数地基种类(103 kNm-3)软弱黏土12 24中性黏土、中性泥砂土24 48硬黏土48 112松散砂4.8 16中密砂9.6 80黏土砾砂4896黏土中密砂32 80密砂64 130硬密砂、泥砾砂、风化岩80190表2各种土壤基床系数对应的池壁最大内力值基床系数基床系数拉应力最大主弯矩最大地基种类K,/(kNm3)Kx、K,(k Nm-3)值/MPa值/(kNmm-)松散砂104004.8004.638-57.1软弱黏土1800012.0004.62356.7中性黏土、中性泥砂土36.00024.0004.600-56.2中密砂44.8009 6004.593-56.0黏土中密砂56.00032.0004.583-55.7黏土砾砂72.000480004.57255.4硬黏土80.000480004.567-55.2密砂97 00064 0004.557-55.0硬密砂、泥砾砂、风化岩135000800004.53854.4从表2 可以看出：地基土层从软到硬，在温度场作用下，池壁拉应力及弯矩呈下降趋势，但差值很小，说明地基对水池有约束作用，但这种影响很小。因此，在实际工程设计中，当计算温度应力时，地基基床系数的取值不是决定因素。3处理措施工程实践表明，由温度应力导致的开裂，其裂缝宽度都比较小。在水池蓄水后，多数裂缝都会被混凝土中释放出来的胶凝物质填充而自动修复闭合，但这种自动闭合不是永久的，在季节温差应力作用下，第二年又会重新开裂渗水。因此，为确保结构耐久性，必须对裂缝进行修补。对本工程裂缝的修补措施的介绍如下。3.1注浆补缝材料及机具的主要技术参数（1）补缝器：储浆管有效容量50 mL；浆液压力一般约2 kg/cm。（2）注浆嘴：塑料，圆盘直径3 5mm，内孔径0 4mm，重约3 g。（3）灌缝结构胶（A、B组份）：按产品说明调匀成灌缝浆液，起始黏度(2 5)10 0 150 MPas。（4）封缝结构胶（A、B组份）：按产品说明调匀成封缝浆液，用于封缝及黏嘴。要求可操作时间不少于45 min。3.2注胶补缝方法（1）在池壁内、外侧裂缝处凿出宽度为30mm、深度为3 0 mm的V型槽。（2）在池壁一侧V型槽内，正对裂缝布置注332023年第6 期凌伟生：封闭容器温度效应在结构工程中的影响及对策胶孔，预埋注胶嘴。注胶孔布置原则为，裂缝越细，孔距越密。一般取3 0 0 40 0 mm。（3）将池壁两侧V型槽采用环氧树脂砂浆封闭抹平，再涂刷封缝胶1 2 mm厚。注意注胶嘴应采用封口胶临时封闭，防止砂浆堵塞注胶口。（4）从裂缝底部第一个孔开始将补缝器插到注胶嘴上，拉紧手环利用皮筋的弹力，推进活塞使胶液压人裂缝。（5）观察上面的注胶嘴，冒胶时，说明两嘴间裂缝已注人胶液。将补缝器移到上面注浆嘴上使用，同时立即封闭刚注完的注胶口。（6）全部注胶口注完2 4h后铲除注胶嘴和封缝胶，将表面清理干净。4设计与施工对策虽然规范规定当水池伸缩缝构造符合规范要求时一般可以不计算温、湿度变化对壁板中面的作用，但对于“封闭容器”型建（构)筑物，设计时应考虑施工期高温天气导致的“封闭容器温度效应”的特殊工况，遵循“放”与“抗”的原则，采取适当措施，避免池壁开裂。4.1设计“放”对策4.1.1工艺设计对策除设计运行期内必要的通风设施外，有条件时可以在适当的位置设置足够的通风孔，在小型封闭水池中也可以根据容积计算通风量，适当配置通风设备来解决。本案例清水池虽然也设计了通风孔及通风柜，但由于通风孔尺寸较小，且路线曲折，仅仅满足运行期内的通气要求，对于大型多腔室封闭容器而言，无法达到与环境温度同步升、降的效果。因此，留设的通风孔必须达到面积足够、对流顺畅的要求。4.1.2结构设计对策工艺对策条件受限时，结构设计可在清水池顶板（即沉淀池底板）上留设10 0 0 mm宽后浇带，对应后浇带位置的导流墙预留通风门洞，起到通风散热的效果。后浇带间距一般取3 0 m。4.2设计“抗”对策除上述“放”的对策外，结构设计也可以采取加强措施来抵抗温度应力的影响。建筑结构裂缝控制与防水新技术8 研究成果表明，在墙体中部设一道钢筋间距为10 0 mm、高度为1m的“水平暗梁”，有利于控制墙体有害裂缝的出现。本文在清水池外墙中部设一道高度为10 0 0 mm，厚度为6 0 0 mm（两倍池壁厚度)的加劲梁，按工况二进行模拟计算，应力云图（图9）显示外墙应力分布变均匀，应力集中区域明显变窄，证明这种处理措施是有效的。应力/MPa应力/MPa4.46 6621004.466621003.793401003.793401003.120191003.12 0191002.446971002.446971001.773751001.773751001.10 0531001.100531004.2731810-14.2731810-100-9.19 11610-1-9.19 11610-1-1.59 233100-1.59233100-2.26555100-2.26555100-2.93877100-2.93877100图加劲模型温度应力云图在实际工程设计中，将池壁中部加厚是不现实的，可以采用增设“暗梁”的方法来解决，即在池墙中部10 0 0 mm范围将水平构造钢筋由12180mm改为12 10 0 mm或者在池壁中部增设40 2 0 3 0 0 mm的加强筋（暗梁），原水平钢筋间距不变。实践证明，这种处理措施取得了不错的效果。4.3施工对策（1）后浇带一般在45d后封闭，但对于通风散热后浇带而言，还应根据工期安排、气候情况确定。施工单位应在施工组织设计中通过论证确定具体的封闭时间。（2）在水池具备池外回填土的条件时，应立即回填，大幅度降低昼夜温差。34建程设第6 期第55卷5结语（1）G B50 0 6 9 2 0 0 2 第4.3.6.2 条注2 规定：“暴露在大气中的有圆形构筑物和符合本规范有关伸缩变形缝构造要求的矩形构筑物壁板，一般可不计算温、湿度变化对壁板中面的作用”。结构设计时，除一般情况外，还应考虑特殊工况下温度应力作用。（2）封闭容器型构筑物除按规范设置伸缩变形缝外，还应考虑封闭容器温度效应，并采取措施防止有害裂缝的发生。（3）改善温差应力影响的措施宜采取“放”、“抗”结合的办法，以节约投资。参考文献：1闰京涛给排水工程构筑物的裂缝成因及控制J.特种结构,2 0 16,3 3(1）：18-2 1.2赵新，陆锋，程媛日照条件下某混凝土实验舱温度应力的计算J.特种结构，2 0 10,2 7（1）:3 6-3 9.3吴伟，周晨，唐玉宏，等.PHam超长水池温度应力分析及探讨J.特种结构,2 0 19,3 6（6）：8 8-9 2.4中华人民共和国住房和城乡建设部给水排水构筑物工程施工及验收规范：GB501412008S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 8.5中华人民共和国住房和城乡建设部给水排水工程构筑物结构设计规范：GB500692002S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2.6中国工程建设标准化协会给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程：CECS138：2 0 0 2 S .北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2.7顾晓鲁地基与基础（第三版）S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 0 3.8游宝坤混凝土建筑结构裂缝控制的技术措施J.建筑结构,2 0 0 2,3 2(10)：2 1-2 5.