水平向预应力技术应用于地上矩形混凝土水池

混凝土矩形水池在石化系统应用较多。以往的混凝土地上水池，凡长度超过18m者多有不同程度的开裂和渗漏。其主要原因有：(1)池壁内外温差与池壁中面季节温差的综合作用；(2)长期空池，且未设伸缩缝，受池壁中面季节温差与湿差的综合作用，(3)设伸缩缝的水池存在施工质量问题或止水带腐蚀、老化。

针对上述问题，并为满足厂方提出的不留伸缩缝和池壁裂缝宽度不超过0.lmm的要求，在沧州炼油厂曝气池的设计中不设伸缩缝(图4-15-1)，而利用一定间距扶壁的作用，将单向水压变成双向水压，使绝大部分水压的作用方向与池壁内外温差、中面季节温差及湿差引起的应力作用方向相协调。这样，除去池壁混凝土本身的抵抗能力外，其余超额内力均由张拉水平向布置的波形预应力筋形成的平衡弯矩与有效预压力两种内力来平衡，从而得到一个结构比较合理且比较经济的方案。

沧州l炼油厂2座6000m3曝气池的预应力筋均采用7Φs5无粘结钢丝束，预应力钢材的抗拉强度大于或等于1570MPa，无粘结束的布置及间距如图4-15-2所示。

1号曝气池混凝土于11月末浇筑，次年1月初张拉。由于施工单位未能及时将恒温水注满各池，出现了池壁中面季节温差与湿差(干缩)的最不利组合作用。同期施工的32m×16m×3m隔油池和32m×19m×3.1m厚迭池，由于掺了一定量的UEA膨胀剂而未设伸缩缝，在2月最冷日(最低气温－13℃)，32m长的外池壁中部出现裂缝。l号曝气池的纵向(水平方向)内隔墙长38m，因未配预应力筋，中部也出现贯通裂缝。而曝气池的预应力混凝土外池壁未出现裂缝。

由于施加了预应力，池壁厚度仅为250mm，壁内水平钢筋的含钢率为0.24%，整池用钢量为78kg/m3，与原设计方案相比，节省混凝土258m3，钢筋14t，UEA膨胀剂l2.5t，氧凝防水材料0.7t，以及止水带等，而耗用无粘结预应力钢丝束仅2.25t，节省15~20万元。

地上混凝土矩形水池的池壁越厚，对抗水压及控制混凝土裂缝越有利；但在保证施工可能性的条件下，池壁越薄对抗温度应力越有利。所以，要设计一个抗水压与抗温、湿度应力性能及经济指标均较好的矩形混凝土地上水池并非易事。

混凝土矩形水池在温、湿度应力作用下从开裂到渗漏有两种情况：一种是在弯曲拉应力与轴向拉应力交替作用下开裂；另一种是当水池长度超过18m或20m，又未设伸缩缝，因池壁中面温差、干缩引起的应变超过一个定量(目前掌握的数据是1/10000)时，混凝土池壁就会被拉裂，形成贯通裂缝。对此，最有效的设防措施是在混凝土池壁间有目的地建立一整套定性定量的弯曲压应力、轴向压应力及其相对应的轴向压应变，以防裂缝产生或将裂缝宽度控制在一定范围内。目前最有效的手段就是采用后张无粘结预应力技术。

在设计时间隔一定距离设置扶壁，将不利的悬臂结构体系的单向高位水压转变成双向水压，并根据水平裂缝控制为0.1mm时池壁(250mm厚，非预应力竖向钢筋为Ф12@100)所能承担的竖向水压高度来确定最大扶壁间距。其余绝大部分水压均以扶壁为边界条件，转变成水平向水压，与池壁内外温差、中面季节温差以及湿差引起的内力方向协调。这样就可以通过合理地布置抛物线形预应力筋建立相对应的弯曲压应力、轴向压应力以及预压应变，平衡由高位水压和温湿差引起的弯曲拉应力、轴向拉应力以及拉应变。同时因为有了扶壁，也保证了预应力筋的布置与平衡弯矩的建立(图4-15-3)。抛物线形预应力筋的等效荷载作用图如图4-15-3(b)的所示。从图4-15-3中可看出，在扶壁处平衡弯矩与池壁内外温差引起的弯矩同向，而与水压弯矩反向；在扶壁间池壁中部，平衡弯矩与水压和池壁内外温差引起的弯矩反向；而有效预压应力(扣除全部应力损失后的预应力值)则与中面季节温差和湿差引起的收缩拉应力反向，预压应变与收缩拉应变反向。因此在设计计算时，只需验算下述4种情况：

1.冬季最冷时正常运行状态下扶壁间池壁中部截面处受水压应力、池壁内外温差应力、中面季节温差应力、预应力等效荷载下的应力共同作用。

2.冬季最冷时空池状态(以应变控制)，受中面季节温差应力、中面湿差应力、有效预压应力共同作用。

3.夏季池壁内外温差等于零时正常运行状态下扶壁边缘截面处，受水压应力、预应力等效荷载下的应力共同作用。

4.对预应力张拉结束瞬间状态下各截面，计算用的预应力等效荷载值未扣除与时间有关的应力损失，并且此时混凝土强度取70%。

如果不采用设置扶壁改变水压方向并用水平向波形预应力筋一次性综合解决的设计方案，而采用分别解决水压和温湿差应力的设计方案，就形成用竖向直线形预应力筋克服悬臂体系的单向高位水压，再用水平向直线形预应力筋克服温湿差应力以解决因留设伸缩缝出现的问题，其结果是池壁厚度无法减小，按悬臂体系δmin为400mm，按一端固定一端简支δmin为350mm。竖向预应力筋过短，张拉时锚具变形所占比例过大，应力损失过大，有时竟达40%。另外，由于直线张拉不能建立起平衡弯矩(图4-15-4)，对受弯构件，预应力筋的储备功能浪费50%~60%。

例如，某厂的鼓风曝气池，建于1991年5月，池壁高5.2m，厚350mm，在池顶平面内每隔8m设一道混凝土拉梁，使池壁顶端的计算简图为简支。在与沧州l炼油厂曝气池同样平面尺寸条件下，其竖向直线预应力钢丝束用量为4.2t，水平向直线预应力钢丝束用量为3.4t，共计7.6t。如果考虑池壁高度差，其预应力钢丝束用量为沧州炼油厂曝气池的3.9倍。在池顶平面内每隔8m设置拉梁，对生产和使用均带来不便。

1.池底板约束对池壁预应力值建立的影响底板的约束明显地影响池壁预应力值的建立，有时衰减达50%左右。这与池壁根部构造有关，也与底板的刚度有关。本设计的底板厚度已接近下限，故只能承认约束的影响，从预应力钢丝束的布置着手来满足设计要求(图4-15-2b)。因水压与温湿差组合的最不利区段在水位中部2m范围内，所以在相对标高1.5~3.5m范围内加密预应力筋的配置，单位面积上的有效预应力值Npc／A为1.6N/mm2。标高3.5~5.0m处，Npc／A为1.42N/mm2。而在标高1.5m以下，考虑底板的约束过大、水平水压接近于零和温湿差的影响衰减等因素，只配了2根钢丝束，Npc／A为1.03N/mm2。到目前为止，尚未探讨出减少底板约束影响的理想办法。

2.正交隔墙约束对预应力值建立的影响正交隔墙约束对池壁预应力值建立的影响比底板约束的小，但又与框架柱对框架梁预应力值建立的约束影响不同，设计中按5%~10%的折减量考虑，并在张拉时采取一定手段来弥补。

3.扶壁与壁板的整体工作在扶壁受弯的设计计算中考虑了一定宽度范围内的池壁壁板作为扶壁的翼缘与扶壁共同工作，并将扶壁受弯计算所需钢筋的50%分布在作为翼缘的池壁壁板内，其目的也在于保证事实上的共同工作不被破坏。如果将计算所需的全部钢筋均布置在扶壁宽度内，则会造成受力钢筋含量的突变，在整体工作的初期，就造成扶壁边缘池壁壁板的破裂。所以，美国ACI规范明确规定，若将全部受弯钢筋布置在腹板内，必须在相邻的翼缘间配置一定量

的附加钢筋，以防止壁板破裂和保证共同工作。

4.基础的整体工作由于l号和2号曝气池所在的地基土是经过振冲碎石桩处理后的复合地基，承载力为180kN/m2，压缩模量Es为19N/mm2，设计中考虑了一定程度的应力重分布，按扶壁基础与池壁基础共同工作的假设设计。

除上述设计中考虑的4个问题外，还有诸如池壁中面季节温差应力计算时考虑混凝土徐变、有限制的微裂缝降低刚度、边界条件等因素的折减系数取值等只能定性而不能较准确定量的问题。为此，施工2号曝气池时，有目的地在池壁内埋设了50个钢筋应力计和若干温、湿度计，并在不同位置的锚头后埋设了10个传感器，以通过1年1个周期的测试来验证设计中的假定及采用的数据。

扶壁刚度还可适当加大；

扶壁与池壁基础整体王作的假设可行，但某些构造措施须改进，特别是水平向抗扭的构造措施还应进一步加强。