陈佳文 廖一天 刘道桦

(三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

国内建成的和在建的大型水池中,尤其是水池池壁,地板等,渗漏是最常见的病害之一,产生渗漏的主要原因在于伸缩缝和裂缝.渗水促使水池墙体发生表面侵蚀以及内部溶蚀毁坏,降低水池墙体强度.设置伸缩缝是控制水池墙体收缩与温度裂缝的传统手段,在适当部位设置伸缩缝,是能够做到有效控制收缩与温度裂缝的[1],但因为国内《混凝土结构设计规范》[2]提供的伸缩间距取值规范相对原则化,这给水池墙体的设计制造了不少的障碍和随意性,从而导致伸缩缝的应用效果不尽人意.

在20世纪70年代,我国就有很多人对温度应力作用下大体积混凝土的缝隙进行了研究,朱伯芳等人根据温度场理论采取有限元法计算温度应力,通过控制温度来防止裂缝[3].大体积混凝土的裂缝控制措施方面王铁梦也对此进行了深入研究.为了更好地保证水池建成后墙体的防渗能力,本文通过已有的结构设计规范,采用数值计算的方法和三维有限元法相结合的研究方案,对施工期间水池墙体的分缝进行研究,同时对分缝后施工缝与伸缩缝的防水处理进行分析.

2 数值计算方法与防渗措施

2.1 数值计算

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)中给的标准:地上式以及半地下式的钢筋混凝土大型水池,伸缩缝的最大间距是15～20m;而地下式的钢筋混凝土大型水池,伸缩缝的最大间距是25～30m[4].

为了更加精准地确定水池墙体满足防渗要求的最大分缝长度,根据温度裂缝的计算原理计算墙体的伸缩缝间距,参照钢筋混疑土大型水池温度应力计算的公式[5]:

式中,H为水池壁板或墙体的计算厚度或高度;E为墙体所用混凝土的弹性模量,弹性模量E可以根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)[4]查得;Cx为水池地基对墙体混凝土的约束系数,Cx值可以根据文献[5]获得;εp为水池墙体混凝土的极限拉伸,εp根据文献[4]确定;α为墙体混凝土的线胀系数,根据文献[4],混凝土结构设计时,当温度在0～100℃范围内时,线性膨胀系数为0.000 01/℃.

T为综合温差,T=T1+T2,T1为墙体混凝土水化热最高温度和环境平均气温之差,T2为墙体混凝土收缩当量温差,根据文献[5],T2可以由公式求得,其中M为非标准条件的修正系数,M=M1×M2×…×Mn,可以由参数文献中查取,也可按经验取1.15～1.35;t为完工后至注水使用时的天数.

2.2 缝的防渗措施

对于施工缝与伸缩缝之间的止水结构,水池墙体竖向施工缝止水结构主要有外部防水贴、中部止水带、膨胀止水条以及内边防水贴,水池墙体伸缩缝止水结构主要有密封胶、内部止水带、填充板、传力杆、顶帽、粘贴膜和弹性连接膜.

对于施工缝与伸缩缝之间的模板安装,施工缝模板安装顺序为:先安装Hy-Rib模板,再采用方木布在Hy-rib后面作为竖肋,然后用连接器连接横肋与墙体侧模的双槽钢.伸缩缝端模采用普通胶合板,止水与端部模板同步安装.

3 工程实例

3.1 工程概况

卡塔尔地处亚洲西部的波斯湾西北方向,该区域炎热干燥,属热带沙漠气候,且水池修建位置处临海环境,对建筑物有强侵蚀作用.高温季节出现在4～11月,最高气温为46℃,最高月的平均气温为34.7℃;低温季节出现在12月至第二年3月,该季节气候温和、干燥少雨,日间最高气温仍然高达35℃,最低气温为7℃,温差为22～28℃,昼夜温差较大.该水池为长方形,净空尺寸305 m×150 m×11.2 m,容积约36万m3.所筑池壁厚0.6～1.2 m,导流墙厚0.4 m、分隔墙厚0.6～1.2 m.详细工程量见表1.

表1 水池工程量

3.2 数值计算

3.2.1 参数的选取

该工程为单池长方形,浇筑时采用的混凝土强度等级为C40,混凝土粗骨料是辉长岩人工骨料,最大粒径为20 mm,混凝土配合比设计见表2.由现场实验测得的混凝土水化热最高温度为62.5℃,混凝土水化热见表3,根据卡塔尔当地1962～1992年的气象资料显示年平均气温为26.7℃,多年平均气温见表4.水池浇筑方式为先浇筑池底,然后再浇筑池壁、导流墙和分隔墙.其数值计算的物理参数见表5.

表2 混凝土配合比设计

表3 混凝土水化热试验

表4 当地多年气候资料

表5 数值计算物理参数表

3.2.2 数值计算结果分析

1)通过以上参数可以得出裂缝的最大间距为:

为保证水池结构安全,设置伸缩缝的最大间距应小于或等于Lmax=24 751.8 mm=24.751 8 m.同时可以看出,①当阻力系数降低时,伸缩缝的间距就增大,池壁单次浇筑混凝土长度也就更长.②温差和收缩的相差增大时,池壁伸缩缝的最大间距就减小,相差减小,伸缩缝的间距增大.

2)伸缩缝设置间距增大可以减少分缝数量,就极大地减少了对伸缩缝处理的工程量,从而降低了施工难度,加快了施工进度.经由以上分析可以得到,水池浇筑时,为了保证水池的防渗能力,不出现温度裂缝,只要浇筑长度小于24.751 8 m即可.

3.3 有限元仿真模型

3.3.1 模型建立

选择三维有限元软件建立水池仿真模型,根据现场所获资料定义相关参数,以上面计算所得的池壁伸缩缝间距作为水池模型分缝长度的依据,建立三维有限元模型.模型建立选用的边界条件为水池顶板厚度为0.35 m,柱顶附近为0.6 m;池壁厚度0.6～1.2 m,导流墙厚度0.4 m、分隔墙厚度0.6～1.2 m;设立直径为0.6 m;水池池壁在竖直方向分二层,单层高度是5.6 m,水平方向分缝长度设置为24.75 m;底板厚度中间块为0.6 m,柱底附近为0.9 m,墙脚附近为1.2 m.其他各参数取值见表6.

表6 水池的基本设计资料

图1 水池三维有限元模型

3.3.2 仿真模型结果分析

在池壁伸缩缝设置为24.75 m的情况下,池壁整体温度应力值满足C40混凝土的抗裂要求,水池沉降值为37.7 mm,基底控制压力[6]:pk=(446 109.45+0.00)/9 382.99=48 k Pa＜fa=100 k Pa.通过有限元软件建立的水池模型可以得出,本水池墙体浇筑时所产生的裂缝,其宽度的最大值仅为0.25 mm,而钢筋混凝土水池结构设计规定裂缝限制值也为0.25 mm[7],因此该水池模型设计的分缝间隔长度24.75 m符合规范要求,同时也证明了数值计算结果的准确性以及计算参数选取的合理性,为同类型水池墙体浇筑长度的设计提供了一定的借鉴意义.同时对相同边界条件下的不同分缝长度进行了计算,得出了不同分缝长度下墙体的裂缝宽度,结果显示裂缝宽度随着分缝长度的增加而增加.软件模拟结果云图如图2所示,不同浇筑长度下裂缝宽度表见表7,裂缝宽度随着分缝长度变化的规律如图3所示.

图2 墙体有限元计算结果图

图3 墙体分缝长度与裂缝宽度关系图

4 施工中的防水处理

前面通过数值计算以及有限元仿真建模确定墙体最大浇筑长度,从温度裂缝的角度考虑了水池墙体的防渗措施,但对于水池而言,水池墙体浇筑时施工缝的处理同时也极大的影响着工程完工后的防水能力,施工缝施工质量的优劣,将对水池防渗能力的强弱有关键性的影响.

4.1 止水的安装

4.1.1 施工缝止水结构

在施工缝中最常见的防渗形式就是缝中设止水带.在本工程中,考虑到水池中存水量较大,水池净空尺寸305 m×150 m×11.2 m,容积约36万m3.因此对水池施工的缝的防水措施也进行了优化,而不是简单的设置止水带来止水.

水池施工缝止水结构,外部设置有防水贴、在防水贴里面设置有橡胶止水带和膨胀止水条,同时墙体内边也设置有防水贴.这种外部双层防水贴加止水带和止水条的组合,相对单一的止水带防水能力更好,能更好的保证水池运行后墙体的防渗能力.具体的止水结构如图4所示.

图4 施工缝止水结构图

4.1.2 伸缩缝止水结构

伸缩缝止水结构与施工缝大体相同,伸缩缝中采用可压缩的填料板;墙体两边外部材料主要采用的密封胶,密封胶的里面选用两根一端带有套筒的传力杆,传力杆的一端安装有可压缩性材料的顶帽;两根传立杆的中间是止水带.在水池墙体里边与水接触的一面,在填料板的外面在添加一层粘贴膜,粘贴膜的外面在附带一层弹性连接膜.止水结构从外到里依次为弹性连接膜-粘贴膜-密封胶-传力杆-止水带.具体的止水结构布置方式如图5所示.

图5 伸缩缝止水结构示意图

4.2 墙体端模(Hy-Rib模板)安装

水池施工缝处模板安装质量的好坏,直接影响混凝土的浇筑质量[7].同时模板安装的好坏也影响到水池完工后运行期间墙体的防渗功能.因此为了保证水池墙体的防渗性能,本处对模板的安装方式进行了优化.

4.2.1 施工缝端模安装

施工缝模板安装时,将Hy-rib钢板网模板按纵向钢筋间距开孔,然后将Hy-rib钢板网模板插入纵向钢筋进行安装.Hy-rib安装完成后,再用90*90mm方木满布在Hy-rib后面作为竖肋,然后再选取用于连接双槽钢的连接器,作为横肋与墙体侧模的双槽钢连接,用以加强固定模板以及支撑模板,安装示意图如图6所示.

图6 墙体施工缝端模安装图

4.2.2 伸缩缝端模板安装

伸缩缝端模采用普通胶合板,止水与端部模板同步安装.将填料板与普通胶合板以内部止水带为分割线,分两段安装.先安装填料板,然后在填料板外部安装普通胶合板.一半填料板和普通胶合板安装完成后在安装中间止水带,然后再安装另一半填料板和普通胶合板.Hy-rib安装完成后,再用90*90 mm方木满布在普通胶合板后面作为竖肋,然后再用连接器将横肋与墙体侧模连接,加固支撑模板,安装示意图如图7所示.

4.2.3 优化的结果

图7 伸缩缝端模与止水安装图

这种止水与端部模板同步安装的方法,与传统的模板安装方案相比,极大地加快了模板安装的进度,同时里面安装填料板与外面在安装普通胶合板的组合,更能保证模板的平整与稳定,最后选用双槽钢做成的连接器相比普通的模板安装方式更加有利于模板的固定,同时施工过程更加简便.

5 结 论

1)采用温度裂缝的计算公式和有限元软件结合的方法得出了水池墙体的最大分缝长度为24.75 m.

2)在满足裂缝宽度限定值的前提下,最大分缝宽度为24.75 m,裂缝宽度随着分缝长度的增加不断增加.

3)止水结构优化后防水能力更好,止水与端模同步安装的方法,加快了施工进度,填料板与胶合板的组合,更能保证模板的平整,简便施工.

[1] 李富民,孟少平.钢筋混凝土框架结构伸缩缝间距计算[J].中国矿业大学学报,2005(3):274-278.

[2] GB 50069-2002,给水排水工程构筑物结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3] 李来军.混凝土早期非结构性裂缝的分析与控制[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[4] GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[5] 王铁梦.建筑物的裂缝控制[M].上海:上海科技出版社,1987.

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

[7] 李学春.水池工程施工缝的施工[J].山西建筑,2017(28):1-2.