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    超长钢筋混凝土水池无缝结构设计方法.pdf

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    超长钢筋混凝土水池无缝结构设计方法.pdf

    32 CHE ⅡCAL ENGINEERING DESIGN 超长钢筋、昆凝土水池无缝结构设计方法 张维秀 乔芳彭茜郑大彤付彪 中国石油集团东北炼化工程公司吉林设计院吉林132002 摘要 分析现浇超长钢筋混凝土水池温度缝设置存在问题,提出不设置温度缝的设计方法,施工阶段采 用补偿收缩混凝土解决水化热等效温差、干缩等效温差应力的措施,确保混凝土在浇筑和凝固过程中不出现拉 应力,实现浇筑时不出现干缩裂缝;长期使用阶段采用预应力筋产生的预应力,抵抗因季节负温差产生的温度 拉应力,避免出现结构裂缝。 关键词补偿收缩应力设计 石油化工钢筋混凝土水池,因受到场地环境 和地质条件限制多采用矩形布置,长度常超过 50m。给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规 程、石油化工钢筋混凝土水池设计规范和 给水排水工程构筑物结构设计规范规定,当现 浇钢筋混凝土水池尺寸超长时应设置温度缝,温 度缝间距一般不超过30m。 水池不超长一般不会开裂,超长而不设缝则 容易开裂。如不设缝,通常设置混凝土后浇带、 使用补偿收缩混凝土,长度过大时增设加强带、 使用预应力技术。 对超长池体,如不设温度缝,而设置12m 宽后浇带,在所设后浇带两侧混凝土浇筑完毕后, 2个月左右再进行浇注,整个水池连成整体。这种 措施,可解决施工阶段产生的拉应力,不能解决 季节负温差所产生拉应力问题,长期使用仍可能 开裂。 在混凝土内掺加膨胀剂,利用膨胀剂在混凝 土中产生膨胀应力,补偿浇筑、凝固过程中产生 的水化热和干缩等效温差拉应力,实现混凝土成 型时不出现干缩裂缝。当长度超限较大时,除在 混凝土内掺加膨胀剂外,还要每30~40m设置一 道膨胀加强带。而膨胀剂产生的膨胀应力是有限 的,加强带与后浇带一样,只能解决施工阶段产 生的拉应力,不能很好解决长期使用阶段因季节 负温差所产生的温度拉应力。因此,在不少工程 中,靠掺外加剂,仍未能较好解决超长的水池出 现竖向裂缝问题。 长期以来,人们未对产生水池裂缝的不同时 期的温差因素区别开来,水化热等效温差、干缩 等效温差及季节温差,均由预应力筋承受,导致 配筋过多造成浪费。同时,由于}昆凝土从浇筑至 张拉阶段,仍需要一段时间,此阶段仍会发生干 缩裂缝。 1无缝结构设计 裂缝产生的原因实质是混凝土受到的拉应力 超过了抗拉强度。因此. 降低混凝土拉应力是防 止产生裂缝的有效途径。施工阶段和长期使用阶 段产生拉应力的原因是不同的。施工阶段产生的 拉应力为水化热和干缩等效温差拉应力,而长期 使用阶段产生的拉应力为季节温差所产生的温度 拉应力。 1.1施工阶段 采用补偿收缩混凝土 J,该混凝土是掺加3% ~10%含有氧化钙或硫铝酸钙的膨胀剂,经水化反 应生成膨胀性结晶物质水化硫铝酸钙钙矾 石和氢氧化钙,在混凝土内形成自压应力。通 过计算确定补偿收缩混凝土限制膨胀率控制在 0.02%一0.O5%,在混凝土中建立0.20.7MPa 的膨胀自压应力,以彻底抵消混凝土浇筑、凝固 过程中的水化热等效温差应力、干缩等效温差拉 应力,确保混凝土在浇筑和凝固过程中不出现拉 应力,实现混凝土浇筑成型时不出现干缩裂缝。 此阶段措施机理完全同传统补偿收缩混凝土方法, 张维秀研究员,国家一级注册结构师,注册岩土工程师。1989年毕业于南京水利科学研究院。从事结构设计工作。联系电话 o43263959402。 张维秀等超长钢筋混凝土水池无缝结构设计方法 33 但需抵消的是凝固过程中的水化热等效温差应力 和干缩等效温差应力,而不需要抵消长期使用的 环境温差应力,限制膨胀率仅为传统补偿收缩混 凝土方法的35%~50%,所掺膨胀剂量仅为传统 补偿收缩混凝土方法的50%左右。 1.2长期使用阶段 当混凝土强度达到70%一75%时,使用抗拉 强度标准值为1860MPa的钢绞线作为预应力筋, 对池体施加预压应力,用以抵抗长期使用阶段的 环境温差应力,避免出现结构裂缝。由于预应力 筋所负担的仅为季节温差所产生的温度应力,预 应力筋减少35%~50%。与现有设计措施比较, 即更好地发挥了补偿收缩混凝土和预应力筋的作 用,又能降低工程建设费用。 2控制计算 2.1 施工阶段限制膨胀率的确定 为了确定补偿收缩混凝土的限制膨胀率,先 计算混凝土水化热温升和干缩产生的收缩率,藉 此确定混凝土的限制膨胀率。 2.1.1混凝土水化热温升 混凝土水化热温升的计算 Tl3wq/cr 1 式中,T1为混凝土的水化热温升,℃;B为本结构 散热影响系数;W为混凝土的水泥用量,kg/m。; Q为水泥28天的水化热,kJ/kg;C为混凝土比 热,kJ/kg℃; 为混凝土密度,kg/m 。 水化热温升等效应变 sla TI 2 式中,8,为水化热温升等效应变;仅。为混凝土凝 固初期线膨胀系数;T 为水化热温升,℃。 2.1.2混凝土干缩率 混凝土计算龄期张拉龄期的收缩率的 计算 801一eum‘ 1M2M3Ml0 3 式中,8 为混凝土计算龄期张拉龄期t的收缩 率;t为混凝土计算龄期张拉龄期,d;8。为标 准状态下混凝土极限收缩率,取3.2410~;M 一M 。为修正系数。 根据补偿收缩混凝土应用技术规程规定限制 膨胀率不低于0.02%。因此,一般采用限制膨胀 率为8 s 且不小于0.02%的补偿收缩混凝 土,正常施工季节浇筑后养生良好就可确保混凝 土凝固后不出现干缩裂缝。 2.1.3构造钢筋 补偿收缩混凝土浇筑后产生微膨胀,受到钢 筋的约束产生自应力,此应力的计算 A E 8 /A 4 A A /E 8 5 式中,盯 为混凝土自应力,N/mm ;A。为钢筋截 面积,l/lln ;E。为钢筋弹性模量;8。为钢筋的伸 长率,也就是补偿收缩混凝土的限制膨胀率;A 为混凝土截面积,mm 。 这就是补偿收缩混凝土所需配置的构造钢筋。 由于采用预应力,混凝土截面积大幅降低,所以 构造钢筋也大幅降低,仅为普通截面的50%左右。 2.2长期使用阶段的计算 2.2.1 中面温差环境温差应力 中面温差环境温差即闭合时中面温度与 使用时中面温度之差,当T。一5℃时 T1 一 [1/ h/2A ]/[1/ 1/3 A ] 一 6 当T ≤一5℃时 TB5hl2A。/1/13ohlA。一5一TN7 式中,T 为中面温差;T 为闭合时气温;t。为壁 板外侧温度,按下式计算 t 一1/o/1//3o1/p h/A 一 8 长期使用条件下中面温差应力,根据王铁梦 “长墙及地基板的温度收缩应力”理论计算 r1一l_一1 OxraaxEotTl l 粤 9 B 式中, 为由中面温差产生的最大拉应力,N/ nqnl ;E为混凝土弹性模量,N/mm ;d为混凝土 线膨胀系数,1/℃;T 为长期使用条件下当量温 差,℃;Ht为应力松驰系数;13为系数;C 为 水平阻力系数,N/mm。;L为结构长度,mm;H 为结构高度,mm。 2.2.2壁面温差应力 为水池内外壁温度之差,按给水排水工程预 应力混凝土圆形水池结构技术规程4.3.7条计算 t 一 /[A 1/ l/ t /A ] 1o 式中T2为壁面温差,oC;t 为壁厚,m;入 为混凝 土壁板的导热系数,W/mk;13。为混凝土壁 板与空气间的热交换系数,W/ITI k。13 为壁 CHEMICAL ENGINEER G DESIGN 板与空气间的热交换系数,W/m k;T 为 壁板内侧水的计算温度,cc;T 为壁板外侧大气 温度,℃。 2.2.3壁面湿度等效温差 壁面湿度等效温差为内外壁湿度不同产生的 温差,一般取10℃计算。 壁面温差和壁面湿度等效温差不同时计算, 一般取壁面温差和壁面湿度等效温差的较大值 △t t2,t3 2.2.4温度内力 由壁面温差或壁面湿度等效温差产生的温度 内力 M oAtE t /12 11 混凝土受拉一侧拉应力 6M,/Tf1. 12 式中, 为截面抵抗矩塑性影响系数,取1.75。 2.2.5池壁正常使用状态验算 预应力筋张拉后对闭水试验工况及池内满水 池外有土与温度作用组合工况分别计算,应 满足 a 一 ≤0 13 式中0【。。为预压效应系数,对现浇混凝土取1.15; 盯。 为对应工况标准组合下计算截面拉应力温差 应力仅计入盯 和盯 而不计入水化热和干缩等 效温差应力,故大为降低,N/mm ;盯 为扣除全 部预应力损失后,计算截面的预压应力,N/mm 。 通过水平受拉承载力计算,可确定长期使用阶段 控制水池不出现结构裂缝的预应力筋数量。 2.2.6池壁竖向承载力计算及抗裂验算 池壁竖向简化为两端简支构件,按预应力筋 张拉工况、闭水试验工况及池内无水池外有土及 堆载工况分别进行承载力计算及抗裂验算。 3 工程实例 某钢筋混凝土水池尺寸60m60m6m,壁厚 350mm,池深5.5m,见图1。闭合温度为20C, 冬季最冷月平均气温为一18C,冬季池内水 温10℃。 3.1无缝结构设计 3.1.1施工阶段 1混凝土水化热温升等效收缩率 混凝土水化热温升T 按1式计算,T 计 算值为25.5cI。由T 引起的收缩率s 按2式 / \ l g 0 J L i L J L J L L 哥 l 一 \ t 、~ L L L 、一 ~ { i j U ∞ 图1钢筋混凝土水池 计算,8 计算值为2.5510~。 2干缩率 一般情况下混凝土浇注30d内即可满足张拉条 件,取60d作为张拉时间。由’ 3式计算s 计算 值为1.2810一。 3确定限制膨胀率和构造钢筋 由水化热引起的收缩和干缩之和为3.83 l0一,采用限制膨胀率8 为4.010I4的补偿收缩 混凝土,就可确保混凝土凝固后不出现干缩裂缝。 根据补偿收缩混凝土应用技术规程,限制膨 胀率为4.010 时自应力叮 为0.64MPa。混凝土 弹性模量E 为3.25 x 10 N/mm ,构造钢筋按 5式计算 A A /E, 3500.64/3.2510 0.0410一 1 1723.1 mm /m 3.1.2长期使用阶段 1中面温差环境温差应力 壁板外侧温度由8式计算,T 一16.8C 一5C。按7式计算中面温差环境温差, T,计算值为27.9℃。 Bjc/nE 、 丽 0.175410一 2013,231 张维秀等超长钢筋混凝土水池无缝结构设计方法 35 长期使用条件下中面温差应力按9式计 算O/xmax计算值为0.33N/mm 。 2壁面温差应力 水池内外壁温度之差T2按10式计算,其 中热工系数按表1、表2取值。 表1热工系数 0,W/m k 58 99 145 O0 T2计算值为21.4℃。 施工时夏季取湿差10E计算。由壁面湿 度等效温差产生的温度内力按11式计算 M matE t仇/12 110一 103.251O 350 0.65/12 46.2 kNm/m 混凝土受拉一侧拉应力按12式计算 6M 6 x46.210 /1.75350 0.60 N/mm 3预应力损失计算 预应力筋配 215.2400,A 700 mm /m。 IxyAp/bt 700/1000350 0.002 预应力损失有张拉端锚具变形和预应力筋内 缩损失叮l】、预应力筋摩擦损失盯 应力松弛损失 盯 混凝土收缩和徐变损失盯 和分批张拉引起的 平均损失 。 总预应力损失 IOrl 2 3 4 5 2O7/224149319/2 429 N/mm 4池壁水平承载力计算 张拉工况 N p1.270A 1.271395700 124O.2 kN/in 0.9铊厂 A0.910.7519.110003501000 4512.4 kN/m 满足Ⅳn0.9 A。 厶A 13957001000 976.5 kN/m 由给水排水工程结构设计手册表3.2.46, LJHB10,o【H 0.0951,池壁受拉力 肿 cnoqLB 0.0951105.560 313.8 N/ram 闭水试验工况 1.27Rh 1.27313.8 398.5 kN/m 满足N fp A 。 满水加温度作用 Ⅳl1.27R伪1.4 f 1.27 x313.81.40.330.603501000 966.9 kN/m 满足N fpyA 。 正常使用验算 一 ≤0 式中, 。 为预压效应系数,对现浇混凝土仅 取1. 15,叮。。为有效预应力 一 zA/1O00t r1395429700/100035O 1.93 N/mm RHoI1000t d 313.81000/10003500.60 1.50 N/mm 一 1.151.501.930 计算结果满足要求。 3.2传统方法设计 3.2.1基本资料 水化热等效温差2412,干缩等效温差21.6℃, 中面温差22℃,湿差IOC,环境温差67.6℃,预 应力筋配 215.2225,A 1234 mm /m。 A /bt 1234/1000350 0.0035 46.2kNm/m I0.60N/mm 80.175410一 嘲[卜毒 3.2510 1 x10一 45.6 [1一 1 ]。.3Q 82 N/ram2 36 CHEMICAL ENGINEER G DESIGN 3.2.2预应力损失计算 张拉端锚具变形和预应力筋内缩损失 为 207N/ram ;预应力筋摩擦损失盯l2为241N/ram , 应力松弛损失13 。为49N/ram 。分批张拉引起的平 均损失盯 owN p/bt [ 一 fl /2]a /bt [1395一20715/2]X1234/100035o 5 N/ram。 总预应力损失 Z l十 2十 3十 4十 5 207/2241494615/2 447 N/ram 3.2.3池壁水平承载力计算 张拉工况 Ⅳ 1.27 A 1.27 X139512341000 2186.2 kN/m 0.9f A0.9 X10.75 X19.1 X1000 X350 4512.4 kN/m 满足N。0.9foA。 厶139512341000 1721.4 kN/m tlHo3l3.8 N/ram 闭水试验工况 1.27Ri398.5 kN/m 满足N fp A。。 满水加温度作用 Ⅳl1.27 m1.4 ~ t 1.27313.81.4 X0.820.60350 1094.3 kN/m 满足N fp A 。 3.2.4正常使用验算 。 “一 ≤0 胂 一 Ap/1000t 1395447X 1234/1OOO X35o 3.34 N/ram 矗R加/1000t ‘十 313.8 X 1000/1000 X35o0.600.82 2.31 N/ram 功 一 肿1.152.313.340 计算结果满足要求。 3.3经济比较 算例中采用本文提出的方法,池壁配筋 2 X 15.2400,采用传统的预应力设计方法池壁配筋 2 X 15.2225,节省预应力筋1234700/ 123443.3%,仅池壁就节省预应力筋7850 X 6 60 X 51234700X 10一。7.6t,增力Ⅱ混凝 土膨胀剂60.35 X60 X5 X 340 X0.0817.It 节省工程费用7.6 X 217.1 X 0.08 13.8万。 这仅是池壁节省的费用,底板和顶板均采用 该法设计将非常可观。同时使混凝土浇筑过程中 避免出现裂缝。 4 结语 本文提出的钢筋混凝土水池无缝结构设计方 法,施工阶段采用补偿收缩混凝土,解决水化热 等效温差、干缩等效温差应力,实现混凝土浇筑 成型时不出现干缩裂缝。由于抵消的仅是凝固过 程中的等效温差应力,而不需要抵消长期使用阶 段的环境温差应力,限制膨胀率仅为传统补偿收 缩混凝土方法的35%~50%,所掺膨胀剂量仅为 传统补偿收缩}昆凝土方法的50%左右;长期使用 阶段采用预应力筋解决季节负温差产生的温差应 力,从而避免出现结构裂缝。由于预压应力筋仅 为抵抗环境温差应力所需,较传统预应力法所用 预应力筋减少35%~50%。对产生水池裂缝的不 同时期温差因素采用不同设计方案,发挥膨胀剂 和预应力筋各自优势,实现水池一次浇筑成型且 不开裂,使混凝土水池的整体性、抗震性、抗渗 裂性和耐久性得到提高,两个措施分别解决施工 阶段干缩裂缝和长期使用阶段的结构,与现有设 计措施比较,既能更好地解决超长水池各阶段的 无缝问题,又能降低工程建设费用。 参考文献 1 CECS 1382002,给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计 规程[S]. 2 SH/T 31322002,石油化工钢筋混凝土水池设计规范 [S]. 3 GB 500692002,给水排水工程构筑物结构设计规范 [s]. 4 JGJ/T 1782009,补偿收缩混凝土应用技术规程[S]. 5 JGJ 922004无粘结预应力混凝土结构技术规程[s]. 6王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京中国建筑工业出 版社. 收稿日期201211一叭

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