水處理熱水池溫度應(yīng)力有限元研究

1、水處理熱水池溫度應(yīng)力有限元研究摘要：該專題通過(guò)有限元分析了兩個(gè)水工結(jié)構(gòu)的溫 度應(yīng)力，說(shuō)明露天水池結(jié)構(gòu)由溫濕度作用引起的內(nèi)力是不容 忽視的，必須引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視。關(guān)鍵詞：露天水池 結(jié)構(gòu) 溫濕度內(nèi)力中圖分類(lèi)號(hào)：tv621文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)： 1674-098x （2013） 03 （b） -0-02凈水或污水處理廠的水池投資約占土建投資的70% 80%,水池設(shè)計(jì)的慮安全性、適用性、耐久性和經(jīng)濟(jì)合理性 尤為重要。水池受力需要考慮水池自重、池內(nèi)水壓力、池外 土壓力、池內(nèi)外溫差及濕差、地面堆載等荷載。池壁通常按 照手冊(cè)計(jì)算水及土壓力、溫差等。架空熱水池底板的溫度應(yīng) 力，通常按經(jīng)驗(yàn)考慮，受力狀態(tài)

2、缺乏理論分析。在北方冬夏 溫差大，池壁應(yīng)充分考慮溫、濕差產(chǎn)生的內(nèi)力影響。依據(jù)給 水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程cecs138： 2002 （簡(jiǎn)稱水池規(guī)程），利用sap2000有限元軟件，對(duì)兩個(gè)水 池進(jìn)行分析，為水池設(shè)計(jì)提供參考（圖1）。1工程概況天津某廠二次平流沉淀池，平面為矩形，尺寸42.9 mx 14. 6 m,水池深3. 94. 15 m,地上3. 6 m,冬季池內(nèi)水 溫30 °c,水池?zé)o保溫措施。（水池剖面見(jiàn)圖1）又天津某廠濃縮池，圓形，直徑12 m,高4.5 m,采用 8根柱子支撐于直徑10 m的調(diào)節(jié)池上，調(diào)節(jié)池地上4 m。冬 季池內(nèi)水溫為35 °co (水

3、池剖面見(jiàn)圖2)2混凝土池壁溫度、濕度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由于混凝土熱脹冷縮的特性：夏天池壁外側(cè)熱內(nèi)側(cè)冷， 壁板外側(cè)膨脹內(nèi)側(cè)收縮，受池體整體約束，外側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力, 內(nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力；冬季，池內(nèi)水溫高，存在壁面溫差，壁板 內(nèi)側(cè)膨脹外側(cè)收縮，受池體整體約束，則內(nèi)側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力， 外側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力。另外，由于混凝土的濕脹干縮，夏天池壁 外側(cè)很干，內(nèi)側(cè)濕度飽和，所以內(nèi)側(cè)膨脹，外側(cè)收縮。冬季, 外界氣溫低，池壁內(nèi)外側(cè)濕度相差不大，通常不考慮濕差應(yīng) 力。但此時(shí)內(nèi)外溫差仍存在，故冬季只需考慮壁面溫差應(yīng)力。3有限元計(jì)算基本假定和溫度變化模擬計(jì)算時(shí)假定地基對(duì)水池底板不產(chǎn)生約束，混凝土為各向 同性材料，混凝土彈性模量3. 00e

4、+04 (n/mm2),混凝土線膨 脹系數(shù)1. 00e-05 (1/ °c),泊松比0.2。在sap2000中指定 兩個(gè)獨(dú)立的荷載溫度場(chǎng)。溫度t在厚度內(nèi)恒定且產(chǎn)生膜應(yīng)變; 溫度梯度t3,在厚度方向?yàn)榫€性，且產(chǎn)生彎曲應(yīng)變。溫度荷載t在殼單元內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)變等于材料的溫度 膨脹系數(shù)和單元溫度改變的乘積。溫度改變由從單元參考溫 度到單元加載溫度的變化來(lái)計(jì)算。溫度梯度通過(guò)在單位長(zhǎng)度 上的溫度變化來(lái)定義。若溫度在單元局部3軸正方向(線性 地）增加，則溫度梯度為正值。在中間面梯度溫度為零，因 此不產(chǎn)生膜應(yīng)變。兩個(gè)溫度場(chǎng)在單元平面上可以是恒定的，或由在節(jié)點(diǎn)給 定值插值而得。水池壁面溫差采用溫度梯度

5、t3來(lái)模擬，由 于混凝土徐變和產(chǎn)生裂縫后剛度的降低等因素能顯著的降 低結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)力，因此溫度引起的內(nèi)力應(yīng)乘以折減系數(shù)0. 65 （取水池規(guī)程第6.1.10條的ns值）。4內(nèi)力組合水池設(shè)計(jì)常考慮以下3種荷載組合：（1）池內(nèi)水壓+自 重；（2）池外土壓+自重；（3）池內(nèi)水壓+自重+冬季溫差。 前2種組合，對(duì)地下和半地下水池（當(dāng)有地下水時(shí)，還應(yīng)包 括地下水壓）為基本荷載組合，水池建成運(yùn)行前及水池放空 期間均屬此荷載組合。第3種組合，當(dāng)池壁冬季溫差大于夏 季池壁的濕差（當(dāng)量溫差）時(shí)，屬于最不利組合。5矩形水池池壁溫差內(nèi)力計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)（一側(cè)空氣一側(cè)水）入c為2. 03 （w/ （mk）, 熱交換系數(shù)（冬

6、季混凝土與空氣之間）be為23. 26 （w/ （m2k）,最低月平均氣溫ta為-4. 8 （ °c）,介質(zhì)計(jì)算溫度 tn為30 （ °c）,壁板厚度h=0.6 （m）,根據(jù)水池規(guī)程式 4. 3. 5池壁溫差。°c按三邊固定，頂端自由計(jì)算，壁板高h(yuǎn)b=4. 2 m,壁板寬 lb=12 m, lb/hb=2. 86,按水池規(guī)程第6. 1. 10條計(jì)算與 有限元計(jì)算（已經(jīng)考慮ns折減系數(shù)）對(duì)比見(jiàn)表1,有限元 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。根據(jù)表1,有限元計(jì)算的溫度內(nèi)力稍大于查表計(jì)算，符 合較好。6圓形水池溫度應(yīng)力圓形水池中引起的溫度應(yīng)力較復(fù)雜，除池壁存在壁面溫 差外，架空池底

7、也存在壁面溫差，溫度也不像矩形水池分布 均勻。（池壁、池底內(nèi)力計(jì)算詳見(jiàn)表2、表3）o有限元模型 采用殼單元模擬池壁和池底板，線單元模擬梁柱。采用節(jié)點(diǎn) 模式施加流體壓力，壁面溫差采用3-3軸溫度梯度施加，溫 差引起的內(nèi)力見(jiàn)圖5-圖8 （已經(jīng)考慮ns折減系數(shù)），池內(nèi) 水壓力引起的內(nèi)力見(jiàn)圖9-圖12o7結(jié)語(yǔ)計(jì)算可知：溫濕度引起的內(nèi)力不容忽視。即使不是熱水池，按水池規(guī)程第4. 3. 5-3條考慮，暴露在大氣中濕度當(dāng)量溫差為10工引起的內(nèi)力是30工溫差的1/3,其作用相 當(dāng)可觀。矩形水池壁面溫差按規(guī)程計(jì)算的溫度內(nèi)力，與有限 元計(jì)算相差不大，復(fù)雜體型熱水池的溫度應(yīng)力就必須用有限 元計(jì)算。池壁外露的水池，必須考慮溫、濕度對(duì)池壁抗裂性 能的影響，合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，采取必要的構(gòu)造措施，制定 切實(shí)的施工方案和加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，確保工程質(zhì)量。 參考文獻(xiàn)1 cecs給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程 m中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002： 138.2 邵永松，楊鎖青.鋼筋