專利名稱：卵形消化池靜動力分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，特別涉及一種高可靠性的消化池靜力及動力分析方法。

背景技術(shù)：
污泥消化池是采用活性污泥法的大型污水處理廠工藝流程中的主體構(gòu)筑物之一。通常，消化池基本上由集氣罩、池蓋、池體、下錐體四部分組成，并附設(shè)攪拌及加溫設(shè)備。消化池容量大，內(nèi)氣壓較高，建后常年滿水，水位高達10m以上，對于大型消化池來說，其水位甚至可高達30m以上。
在給排水構(gòu)筑物中，消化池分為柱形消化池和卵形消化池。由于卵形消化池內(nèi)壁均勻光滑、池底面積較小、有很好的受力性能、池體上部空間狹小、單位容積表面積小及容易實現(xiàn)施工的連續(xù)性，因此卵形消化池比柱形消化池存在很大的優(yōu)越性。因此，與柱形消化池相比，卵形消化池不僅功能齊全，而且結(jié)構(gòu)形式受力合理，有利于污水系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，并且能夠大大地提高工作效率。但是，卵形消化池結(jié)構(gòu)形狀特殊，重量大，受力形式復(fù)雜，給計算和設(shè)計提出更高的要求。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的廣泛推廣和大型計算機軟件的應(yīng)用，使卵形消化池既經(jīng)濟又合理的設(shè)計成為可能。
卵形消化池屬于特種結(jié)構(gòu)的范疇，它既不同于建筑結(jié)構(gòu)，也有別于水工結(jié)構(gòu)，為其設(shè)計提出了較高要求。近年來，對卵形消化池結(jié)構(gòu)的研究和分析越來越受到關(guān)注。另外，消化池的抗震性能直接關(guān)系到其自身安全及震后周圍環(huán)境。對于這種重要的給排水構(gòu)筑物，抗震設(shè)計應(yīng)予以充分重視。
從60年代初期起，德國就開始在大中型城市污水處理廠使用卵形消化池；在日本，從70年代末開始設(shè)計建造卵形消化池；美國也是在70年代末開始設(shè)計和建造卵形消化池。
國內(nèi)卵形消化池設(shè)計的發(fā)展，最初采用預(yù)應(yīng)力繞絲結(jié)構(gòu)的卵形消化池，發(fā)展到現(xiàn)在，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)卵形消化池。
目前對于一般的水池結(jié)構(gòu)，設(shè)計中常用兩種方法一是根據(jù)工程實際，簡化計算模型，通過查表進行手工計算得到結(jié)構(gòu)內(nèi)力。而對于卵形消化池，由于其池壁沿高度變化的曲線比較復(fù)雜，而且池壁各高度處的厚度不同，使公式的推導(dǎo)非常繁瑣，至今沒有現(xiàn)成的計算公式和表格可供應(yīng)用。二是利用大型計算分析軟件，根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)形式和邊界條件，建立符合實際情況的數(shù)學(xué)模型，進行電算。這種方法要求設(shè)計者有良好的數(shù)學(xué)和有限元功底，尤其在處理邊界條件時，對設(shè)計人員的要求較高，這種方法也是計算消化池時首先要考慮的方法。
綜上所述，有必要利用現(xiàn)有大型有限元分析軟件，將預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)化成等效荷載作用于池壁，對卵形消化池這種特殊結(jié)構(gòu)建立合理的數(shù)學(xué)模型，進行內(nèi)力分析，包括靜、動力分析。給出與工程實際相匹配的參數(shù)，其中包括相匹配的靜力參數(shù)與動力參數(shù)；得出較為可靠的分析結(jié)果，從而為實際的工程設(shè)計提供可靠的計算和分析依據(jù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明大型卵形消化池靜動力分析方法解決了卵形消化池預(yù)應(yīng)力荷載的等效轉(zhuǎn)化的技術(shù)問題，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中由于其等效轉(zhuǎn)化方法不能量化，因此，不能正確的指導(dǎo)消化池的設(shè)計，給消化池的日后正常使用帶來了諸多不確定因素，諸如不能給出與實際情況相符的、橫向和豎向預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的恒荷載作用，也就不能準確得出消化池豎向彎矩值，導(dǎo)致池壁容易產(chǎn)生開裂。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明卵形消化池靜動力分析方法予以實現(xiàn)的技術(shù)方案是，包括以下步驟確定消化池的結(jié)構(gòu)、材料及地質(zhì)參數(shù)；定義消化池的載荷及取值范圍；基于ANSYS系統(tǒng)中的板殼單元和三維塊體單元建立并計算該消化池的簡化模型；確定消化池載荷及工況的組合；將每束預(yù)應(yīng)力鋼筋的壓力分別折算成該束鋼筋作用范圍內(nèi)的均布壓力；預(yù)應(yīng)力荷載的等效轉(zhuǎn)化，將環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋的內(nèi)力轉(zhuǎn)化成等效外荷載；近似用線性插值計算各個單元中點處的等效壓力；對消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力進行分析；對卵形消化池在設(shè)計值作用下的受力進行分析；輸入地震波，采用三維整體建模的方法對上述卵形消化池的簡化模型進行動力分析，得出卵形消化池的動力特性。
本發(fā)明卵形消化池靜動力分析方法中，可以得出卵形消化池在空池和滿池兩種狀態(tài)下的振型和頻率，其前十階振型包括振型1是左右擺動；振型2是前后擺動；振型3是0度和90度方向膨脹壓縮；振型4是45度和135度方向膨脹壓縮；振型5是扭動；振型6是0度和60度方向膨脹壓縮；振型7是30度和90度方向膨脹壓縮；振型8是上下脹縮；振型9是22.5度和67.5度方向膨脹壓縮；振型10是0度和45度方向膨脹壓縮。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果是由于能準確地模擬出由橫向和豎向預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生的對池壁的環(huán)向力、豎向力，因此能得出消化池在空池下的工況下由預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的池壁豎向彎矩，從而避免池壁產(chǎn)生由于豎向彎矩值計算失準而造成的開裂現(xiàn)象。



圖1是卵形消化池結(jié)構(gòu)剖面圖； 圖2是卵形消化池計算模型示意圖； 圖3是預(yù)應(yīng)力鋼筋地內(nèi)力轉(zhuǎn)化為等效壓力作用于卵形消化池池壁地受力圖； 圖4-1和圖4-2是池壁在重力作用下其內(nèi)力沿高度變化曲線； 圖4-3和圖4-4是池壁在重力和水壓載荷組合下其內(nèi)力沿高度變化曲線； 圖4-5和圖4-6是池壁在重力、水壓和氣壓載荷組合下其內(nèi)力沿高度變化曲線； 圖5-1至圖5-4是池壁的預(yù)應(yīng)力鋼筋等效載荷作用下的內(nèi)力變化曲線； 圖6-1是在圖5-1預(yù)應(yīng)力鋼筋作用下對池壁產(chǎn)生的應(yīng)力抵消程度示意圖； 圖6-2是在圖5-2預(yù)應(yīng)力鋼筋作用下對池壁產(chǎn)生的應(yīng)力抵消程度示意圖； 圖7-1至圖7-4是池壁在重力和預(yù)應(yīng)力載荷組合下內(nèi)力沿高度變化曲線； 圖8-1至圖8-4是池壁在重力、預(yù)應(yīng)力和水壓載荷組合下內(nèi)力沿高度變化曲線； 圖9-1至圖9-4是池壁在重力、預(yù)應(yīng)力、水壓和氣壓載荷組合下內(nèi)力沿高度變化曲線； 圖10-1至圖10-4是池壁在重力、預(yù)應(yīng)力、水壓、氣壓和溫度載荷組合下內(nèi)力沿高度變化曲線； 圖11-1至圖11-4是預(yù)應(yīng)力等效荷載以二次曲線的形式施加的內(nèi)力圖； 圖12-1是卵形消化池在重力作用下的變形圖； 圖12-2是卵形消化池在預(yù)應(yīng)力作用下的變形圖； 圖12-3是卵形消化池在重力和預(yù)應(yīng)力載荷組合作用下的變形圖； 圖12-4是卵形消化池在重力、預(yù)應(yīng)力和水壓載荷組合作用下的變形圖； 圖12-5是卵形消化池在重力、預(yù)應(yīng)力、水壓和氣壓載荷組合作用下的變形圖； 圖12-6是卵形消化池在重力、預(yù)應(yīng)力、水壓、氣壓和溫度載荷組合作用下的變形圖； 圖13-1至圖13-10是卵形消化池前十階振型圖； 圖14是本發(fā)明卵形消化池靜動力分析方法的流程圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
如圖14所示，本發(fā)明卵形消化池靜動力分析方法包括以下步驟確定消化池的結(jié)構(gòu)、材料及地質(zhì)參數(shù)；定義消化池的載荷及取值范圍；基于ANSYS系統(tǒng)中的板殼單元和三維塊體單元建立并計算該消化池的簡化模型；確定消化池載荷及工況的組合；將每束預(yù)應(yīng)力鋼筋的壓力分別折算成該束鋼筋作用范圍內(nèi)的均布壓力；預(yù)應(yīng)力荷載的等效轉(zhuǎn)化，將環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋的內(nèi)力轉(zhuǎn)化成等效外荷載；近似用線性插值計算各個單元中點處的等效壓力；對消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力進行分析；對卵形消化池在設(shè)計值作用下的受力進行分析；輸入地震波，采用三維整體建模的方法對上述卵形消化池的簡化模型進行動力分析，得出卵形消化池在空池和滿池兩種狀態(tài)下的振型和頻率，其前十階振型包括振型1是左右擺動；振型2是前后擺動；振型3是0度和90度方向膨脹壓縮；振型4是45度和135度方向膨脹壓縮；振型5是扭動；振型6是0度和60度方向膨脹壓縮；振型7是30度和90度方向膨脹壓縮；振型8是上下脹縮；振型9是22.5度和67.5度方向膨脹壓縮；振型10是0度和45度方向膨脹壓縮。
為了便于對本發(fā)明作進一步的描述，下述實施例中所涉及到的工程概況(即，設(shè)定的消化池的結(jié)構(gòu))是用作污水處理廠中的一座卵形消化池，池體采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。整個消化池包括上部池壁殼體和下部臺階式樁承臺塊體兩部分。池體總高度為44.69m，地上32.69m，埋深12m，最大直徑24m。池壁為殼體結(jié)構(gòu)，頂部為400mm厚的錐殼，腹部為厚度自上而下由400mm均勻變至700mm的卵殼。設(shè)計水位取錐殼和卵殼交界向上1.1m，水位標高為33.29m，水深39.79m。該消化池剖面如圖1所示. 1.確定該卵形消化池材料性能的基本參數(shù) 用于消化池上的材料主要為混凝土、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋、普通鋼筋，池壁采用C40混凝土，基礎(chǔ)采用C30混凝土，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋采用7Φ5的鋼絞線，普通鋼筋采用HPB235(φ)和HRB335(Φ)，混凝土和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋的材料參數(shù)見表1。錨具采用OVMZ15-X專用錨具，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉時采用千斤頂張拉，張拉方法為后張法。
表1材料參數(shù) 2.確定動力分析中所用到的材料參數(shù)和地質(zhì)資料 具體數(shù)據(jù)分別見表2和表3。
表2動力分析所需的材料參數(shù) 表3地質(zhì)資料 3、確定荷載取值及工況組合 (1)荷載取值 作用在消化池上的荷載分為兩類，分為永久荷載和可變荷載。結(jié)構(gòu)自重、水池內(nèi)的盛水壓力、結(jié)構(gòu)的預(yù)加應(yīng)力屬于永久荷載；作用在消化池上的氣壓、溫(濕)度變化屬于可變荷載。
各種荷載的取值及其作用位置如下 自重鋼筋混凝土的自重取25kN/m3； 氣壓氣壓分為工作氣壓和試驗氣壓，其大小和作用位置根據(jù)工藝要求確定。該消化池工作氣壓取6.0kPa，試驗氣壓取工作氣壓的1.5倍，即9.0kPa，氣壓均勻分布，作用于整個消化池的內(nèi)壁； 水壓力水池內(nèi)的水壓力應(yīng)按設(shè)計水位的靜水壓力計算。對于污水處理水池，污水的重力密度取10.5kN/m3，設(shè)計水位取錐殼和球殼交界向上1.1m，水位標高為33.290m，水深39.790m，按照三角形分布，垂直于消化池內(nèi)壁。
溫度污泥消化池工藝采用中溫消化(33℃～35℃)，這使消化池池壁及頂板產(chǎn)生熱脹冷縮變形，同時因池壁內(nèi)外溫差所引起的變形，而當這些變形受到約束時，就在池體中產(chǎn)生應(yīng)力。根據(jù)規(guī)范要求，池壁溫差取10℃。
預(yù)應(yīng)力作用在水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力標準值，應(yīng)按預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力值扣除相應(yīng)張拉工藝的各項預(yù)應(yīng)力損失采用。
(2)工況組合 水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)按照承載能力極限狀態(tài)計算，除結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗算外，其余均采用分項系數(shù)設(shè)計表達式。并應(yīng)滿足下式 γ0S≤R (1) γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。一般情況下水池安全等級取二級，γ0取1.0； S——作用效應(yīng)組合設(shè)計值； R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值。
作用效應(yīng)組合設(shè)計值S應(yīng)滿足 S＝γG1CG1G1k+γG(CwFwk+CpFpk)+ψcγQ(CgasFgask+CtFtk)(2) γG1——消化池自重分項系數(shù)，取1.2；當對結(jié)構(gòu)有利時，取1.0； CG1——消化池自重效應(yīng)系數(shù)； G1k——消化池自重標準值； γG——作用在消化池上的水壓和預(yù)應(yīng)力的分項系數(shù)，對結(jié)構(gòu)不利時取1.27；對結(jié)構(gòu)有利時取1.0； Cw——池內(nèi)水壓力效應(yīng)系數(shù)； Fwk——池內(nèi)水壓力標準值； Cp——預(yù)加應(yīng)力效應(yīng)系數(shù)； Fpk——預(yù)加力標準值； γQ——作用在消化池上的氣壓和溫度的分項系數(shù)，取1.40； ψc——兩種或兩種以上可變作用的組合系數(shù)，取0.9； Ct——溫(濕)度作用效應(yīng)系數(shù)； Ftk——溫(濕)度作用標準值。
按照承載能力極限狀態(tài)計算時，作用效應(yīng)基本組合設(shè)計值應(yīng)根據(jù)水池形式及其工況取不同的作用項目組合。對于地面水池，內(nèi)力分析必須考慮施工階段、正常使用階段、閉水閉氣試驗階段的各種可能出現(xiàn)的荷載，需要考慮的荷載組合情況如下 重力+水壓+氣壓(標準值組合，用于計算預(yù)應(yīng)力鋼筋) 重力+預(yù)應(yīng)力(空池時產(chǎn)生豎向彎矩的最不利荷載組合) 重力+預(yù)應(yīng)力+水壓(閉水試驗時的荷載組合) 重力+預(yù)應(yīng)力+水壓+氣壓(閉水閉氣試驗時的荷載組合) 重力+預(yù)應(yīng)力+水壓+氣壓+溫度(正常使用階段的荷載組合) 4.本發(fā)明對上述實例所進行的模型的建立、預(yù)應(yīng)力荷載的等效、形消化池在設(shè)計值作用下的受力分析 (1)計算模型 剛性地基上的計算模型，如圖2所示，用ANSYS系統(tǒng)軟件進行內(nèi)力計算和分析，池壁采用殼體單元，基礎(chǔ)采用實體單元，在基礎(chǔ)底面上灌注樁的位置施加固定約束。計算模型的用途是消化池的靜力分析；消化池地震反應(yīng)分析。
(2)、預(yù)應(yīng)力鋼筋等效荷載的轉(zhuǎn)化 預(yù)應(yīng)力鋼筋對消化池在水壓作用下產(chǎn)生的環(huán)向位移有約束作用，鋼筋產(chǎn)生足夠的環(huán)向壓力，可以抵消水壓產(chǎn)生的環(huán)向拉力，其效果相當于作用于池壁外側(cè)的均布壓力。
如何將預(yù)應(yīng)力鋼筋的內(nèi)力轉(zhuǎn)化為等效壓力作用于消化池的池壁，是本發(fā)明中的一個問題。由于消化池形狀為卵形，水平直徑沿高度均勻變化，不同于直徑為常數(shù)的圓柱消化池，故，需要將每束預(yù)應(yīng)力鋼筋的壓力分別折算成該束鋼筋作用范圍內(nèi)的均布壓力。
取內(nèi)徑與外徑之比接近1的薄壁旋轉(zhuǎn)筒，如圖3中的(a)所示，外側(cè)作用有均布壓力p。取高度為dz的圓臺，該段曲面薄壁筒可以近似視為圓臺側(cè)面受均布力作用，如圖3中的(b)和(c)所示，尺寸為平均半徑R、厚度t，外壁與水平面夾角為α，圓環(huán)的角度從β1到β2。薄壁圓筒在外側(cè)均布壓力p的作用下，在圓周方向產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力σθ，半徑方向產(chǎn)生徑向應(yīng)力σr。徑向應(yīng)力從池壁外側(cè)的-p變?yōu)槌乇趦?nèi)側(cè)的0，在壁厚非常薄的情況下，σr與σθ比較起來非常小，故，σr常常忽略不計，且假定σθ在截面內(nèi)均勻分布，則，高度方向截面上的集中力T為σθ與截面面積的乘積。
設(shè)y坐標軸為扇形圓環(huán)的對稱軸，取一微段dβ，作用于dβ段上的力為 dP＝pRlcos(α)dβ(3) 作用于β1-β2扇形圓環(huán)上的力為 考慮到圓環(huán)上y方向的受力平衡，且β2＝180-β1，則 公式(5)簡化為 2pRlcos(α)cos(β1)＝2Tcos(β1) (6) 即pRlcos(α)＝T T—長度l范圍內(nèi)所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的環(huán)拉力(N/m2) 這里， T＝Ay·(σcon-∑σli) Ay—長度l范圍內(nèi)所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積(mm2) σcon—預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力(N/mm2) ∑σli—預(yù)應(yīng)力鋼筋總的預(yù)應(yīng)力損失(N/mm2) 預(yù)應(yīng)力鋼筋的等效壓力 R——l范圍內(nèi)池體環(huán)向水平半徑，取平均值(m)； α——殼體法向與水平面的夾角。
通過以上計算，環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋的內(nèi)力轉(zhuǎn)化成等效外荷載。
為使該等效荷載方便施加在ANSYS模型中，近似用線性插值計算各個單元中點處的等效壓力。
徑向預(yù)應(yīng)力筋對卵形消化池殼體產(chǎn)生的徑向壓力也按上述方法等效成均布的側(cè)壓力；另外，由于豎向預(yù)應(yīng)力筋非連續(xù)，故在錨固端、張拉端應(yīng)施加相應(yīng)的節(jié)點力，節(jié)點力的大小由徑向預(yù)應(yīng)力筋面積及有效預(yù)應(yīng)力值的乘積決定，方向與端部預(yù)應(yīng)力筋一致。
(3)卵形消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力分析 消化池池壁采用C40混凝土，由于混凝土屬于脆性材料，在環(huán)拉力作用下很容易開裂，解決裂縫的有效措施是在池壁配置環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋，也就是說，預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積由裂縫控制，即，由標準荷載組合作用下池壁的環(huán)拉力決定。
在標準荷載作用下，池壁可能出現(xiàn)的荷載組合情況包括 1.重力 2.重力+水壓 3.重力+水壓+氣壓 在上述這三種荷載組合下，消化池的內(nèi)力沿高度變化曲線如圖4-1至圖4-6所示。其中，圖4-1和圖4-2是池壁在重力作用下其內(nèi)力沿高度變化曲線，圖4-3和圖4-4是池壁在重力和水壓載荷組合下其內(nèi)力沿高度變化曲線，圖4-5和圖4-6是池壁在重力、水壓和氣壓載荷組合作用下其內(nèi)力沿高度變化曲線。由圖可見，當重力單獨作用時，消化池豎向完全受壓，而且隨著高度的降低，壓力以二次曲線的形式逐漸增大，最大值發(fā)生在池壁與基礎(chǔ)交界的位置。消化池的環(huán)向，在中間段受拉，其它段受壓。當消化池內(nèi)注水后，消化池的受力發(fā)生了很大的變化，范圍內(nèi)由壓力變?yōu)槔?，環(huán)向整個高度內(nèi)受拉力。氣壓的作用使注水后的消化池環(huán)拉力增大，位置接近重力和水壓作用的情況，氣壓對豎向力影響不太大。三種荷載組合情況下，消化池池壁豎向彎矩和環(huán)向彎矩沿高度變化的趨勢相同，在上部大約3/4范圍內(nèi)幾乎不存在受彎狀態(tài)，只在池壁下部一小段內(nèi)產(chǎn)生使池壁外側(cè)受拉的彎矩，環(huán)向彎矩遠遠大于豎向彎矩，最大環(huán)向彎矩大約是6倍同位置處的豎向彎矩。當水壓作用后，不論是豎向彎矩還是環(huán)向彎矩，都增大了很多?？梢姡瑢ο厥芰ζ鹬饕饔玫耐夂奢d是水壓，重力產(chǎn)生的內(nèi)力比較小，大約為水壓作用后的1/12，氣壓所起的作用更小，但是考慮到重力和氣壓都使消化池產(chǎn)生環(huán)向拉力，增大了水壓作用下產(chǎn)生的環(huán)拉力。
(4)卵形消化池在設(shè)計值作用下的受力分析 ①卵形消化池在預(yù)應(yīng)力等效壓力作用下的內(nèi)力 預(yù)應(yīng)力鋼筋的等效壓力沿高度呈現(xiàn)為階梯形，將其作用于消化池池壁，池壁內(nèi)力變化曲線如圖5-1至圖5-4所示。其中，圖5-1是環(huán)向力圖，圖5-2是豎向力圖，圖5-3是環(huán)向彎矩圖，圖5-4是豎向彎矩圖， 由圖5-1和圖5-2可見，不論在環(huán)向還是在豎向，預(yù)應(yīng)力等效荷載對池壁產(chǎn)生巨大的壓力，環(huán)向壓力的最大值發(fā)生在地面以上的中下部范圍內(nèi)。預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的壓力足以抵消重力和水壓在池壁產(chǎn)生的拉力，進而防止池壁開裂。抵消程度見圖6-1和圖6-2所示。
由圖5-3和圖5-4可見，由于預(yù)應(yīng)力等效荷載的階梯性，在消化池池壁上部產(chǎn)生沒有規(guī)律的彎矩，但是該彎矩很小，對池體受力沒有太大的影響。在池體下部一定范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生使消化池內(nèi)側(cè)受拉的彎矩，而且豎向彎矩遠大于環(huán)向彎矩。
②卵形消化池在各荷載工況下的受力分析 各工況組合的荷載值為設(shè)計值，水壓以固定的斜率垂直作用于池壁，預(yù)應(yīng)力等效荷載以階梯形式作用。消化池在上述荷載組合的作用下，池壁主要產(chǎn)生四種軸對稱的內(nèi)力，包括環(huán)向力、豎向力、環(huán)向彎矩、豎向彎矩。內(nèi)力沿高度的變化曲線如圖7-1至圖7-4所示。
由圖7-1至圖7-4、圖8-1至圖8-4、圖9-1至圖9-4和圖10-1至圖10-4四組內(nèi)力沿高度變化曲線圖可見，消化池沒有預(yù)應(yīng)力作用時，池壁環(huán)向受拉，豎向部分受拉部分受壓；上部殼體彎矩非常小，下部池壁與基礎(chǔ)剛性連接，殼體彎矩較大。預(yù)應(yīng)力鋼筋對消化池的受力影響很大，在消化池環(huán)向和徑向產(chǎn)生巨大的壓力，抵消了壁內(nèi)的水壓、重力、氣壓等在池壁上產(chǎn)生的拉力，且保留了一部分預(yù)壓力，避免了池壁在外荷載產(chǎn)生的拉力作用下開裂；預(yù)應(yīng)力作用后，使消化池底部的彎矩減小，增大了消化池池壁的抗彎能力。
將上述四組內(nèi)力沿高度變化曲線圖進行比較可以看出，不論環(huán)向力還是豎向力，空池時消化池受壓最嚴重，池壁內(nèi)側(cè)受彎的彎矩也最大，可見最不利的荷載組合之一為重力和預(yù)應(yīng)力共同作用的空池情況。當溫度作用后，消化池池壁的內(nèi)力變化也很大，預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的一部分環(huán)向壓力幾乎被完全抵消，不論是環(huán)向彎矩還是豎向彎矩，都使消化池池壁外側(cè)受彎，而且在所有工況組合中達到最大值，遠遠超過其它荷載工況組合下的情況，可見，溫度作用的情況也是一種最不利的荷載組合情況。由于池體底部在不同的荷載工況組合下彎曲的方向不同，配筋時要多加注意，要綜合考慮結(jié)構(gòu)兩個方向的內(nèi)力。
如果預(yù)應(yīng)力等效荷載以二次曲線的形式施加，均勻的外荷載使消化池池壁內(nèi)力變化曲線變得更加光滑，更加均勻，減少突變，減少由內(nèi)側(cè)受彎到外側(cè)受彎的轉(zhuǎn)折點，而且大部分范圍內(nèi)消化池的彎矩非常小，預(yù)應(yīng)力等效載荷以二次曲線形式施加的內(nèi)力圖見圖11-1至圖11-4所示。其中圖11-1是環(huán)向力圖，圖11-2是豎向力圖，圖11-3是環(huán)向彎矩圖，圖11-4是豎向彎矩圖，由圖可見，消化池池壁彎矩由預(yù)應(yīng)力鋼筋決定，如果要提高池壁的抗彎性能，在配置池壁預(yù)應(yīng)力鋼筋時，盡可能在滿足施工便利的條件下，使預(yù)應(yīng)力鋼筋的規(guī)格和間距變化均勻，使鋼筋的等效荷載接近二次曲線。
③卵形消化池在各種荷載工況下的變形 消化池在各種荷載工況下的變形呈現(xiàn)為軸對稱，預(yù)應(yīng)力鋼筋的施加抵消一部分由水壓、氣壓、重力、溫度等共同作用使消化池向外膨脹的變形。卵形消化池在外荷載作用下的各種變形如圖12-1至圖12-6所示。由圖可見，預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，使消化池近2/3的位置向池內(nèi)壓縮，預(yù)應(yīng)力鋼筋的配置越大，壓縮量越多，預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生的壓縮可以超過或接近重力、水壓、氣壓產(chǎn)生的膨脹，而溫度產(chǎn)生的膨脹是最大的，預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用只能減小這部分的膨脹，而不能完全抵消這部分膨脹，非預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用可以減小溫度的影響。
5.卵形消化池的動力分析，得到卵形消化池的動力特性 由ANSYS模態(tài)分析獲得卵形消化池在空池和滿池兩種狀態(tài)下的振型和頻率，由于兩種情況質(zhì)量的差異，使其頻率差別較大，前十階振型一致，其前十階自振頻率如表4所示，前十階振型如圖13-1至圖13-10所示。
表4卵形消化池的自振頻率和周期 圖13-1至圖13-10所示的前十階振型圖分別如下 振型1——左右擺動； 振型2——前后擺動； 振型3——0度90度方向膨脹壓縮； 振型4——45度135度方向膨脹壓縮； 振型5——扭動； 振型6——0度60度方向膨脹壓縮； 振型7——30度90度方向膨脹壓縮； 振型8——上下脹縮； 振型9 22.5度67.5度方向膨脹壓縮； 振型10 0度45度方向膨脹壓縮。
盡管結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了上述描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護范圍的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之列。
權(quán)利要求
1.一種卵形消化池靜動力分析方法，其特征在于，包括以下步驟
步驟一確定消化池的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)及地質(zhì)參數(shù)；
步驟二定義消化池的載荷及取值范圍；
步驟三基于ANSYS系統(tǒng)中的板殼原則和三維塊體的方式建立并計算該消化池的簡化模型；
步驟四對上述卵形消化池的簡化模型進行靜力分析
(4-1)確定消化池載荷的組合情況；
(4-2)確定工況的組合，并同時滿足下述公式(1)和公式(2)
水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)按照承載能力極限狀態(tài)計算，除結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗算外，其余均采用分項系數(shù)設(shè)計表達式。并應(yīng)滿足下式
γ0S≤R (1)
γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。一般情況下水池安全等級取二級，γ0取1.0；
S——作用效應(yīng)組合設(shè)計值；
R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值。
作用效應(yīng)組合設(shè)計值S應(yīng)滿足
S＝γG1CG1G1k+γG(CwFwk+CpFpk)+ψcγQ(CgasFgask+CtFtk)(2)
γG1——消化池自重分項系數(shù)，取1.2；當對結(jié)構(gòu)有利時，取1.0；
CG1——消化池自重效應(yīng)系數(shù)；
G1k——消化池自重標準值；
γG——作用在消化池上的水壓和預(yù)應(yīng)力的分項系數(shù)，對結(jié)構(gòu)不利時取1.27；對結(jié)構(gòu)有利時取1.0；
Cw——池內(nèi)水壓力效應(yīng)系數(shù)；
Fwk——池內(nèi)水壓力標準值；
Cp——預(yù)加應(yīng)力效應(yīng)系數(shù)；
Fpk——預(yù)加力標準值；
γQ——作用在消化池上的氣壓和溫度的分項系數(shù)，取1.40；
ψc——兩種或兩種以上可變作用的組合系數(shù)，取0.9；
Ct——溫(濕)度作用效應(yīng)系數(shù)；
Ftk——溫(濕)度作用標準值；
(4-3)預(yù)應(yīng)力荷載的等效轉(zhuǎn)化
由于消化池形狀為卵形，水平直徑沿高度均勻變化，不同于直徑為常數(shù)的圓柱消化池，故，需要將每束預(yù)應(yīng)力鋼筋的壓力分別折算成該束鋼筋作用范圍內(nèi)的均布壓力；
取內(nèi)徑與外徑之比接近1的薄壁旋轉(zhuǎn)筒，外側(cè)作用有均布壓力p；
取高度為dz的圓臺，該段曲面薄壁筒可以近似視為圓臺側(cè)面受均布力作用，尺寸為平均半徑R、厚度t，外壁與水平面夾角為α，圓環(huán)的角度從β1到β2；
薄壁圓筒在外側(cè)均布壓力p的作用下，在圓周方向產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力σθ，半徑方向產(chǎn)生徑向應(yīng)力σr；
徑向應(yīng)力從池壁外側(cè)的-p變?yōu)槌乇趦?nèi)側(cè)的0，在壁厚非常薄的情況下，σr與σθ比較起來非常小，故，σr常常忽略不計，且假定σθ在截面內(nèi)均勻分布，則，高度方向截面上的集中力T為σθ與截面面積的乘積；
設(shè)y坐標軸為扇形圓環(huán)的對稱軸，取一微段dβ，作用于dβ段上的力為
dP＝pRlcos(α)dβ (3)
作用于β1-β2扇形圓環(huán)上的力為
考慮到圓環(huán)上y方向的受力平衡，且β2＝180-β1，則
公式(5)簡化為
2pRlcos(α)cos(β1)＝2Tcos(β1) (6)
即pRlcos(α)＝T
T—長度l范圍內(nèi)所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的環(huán)拉力(N/m2)
這里，T＝Ay·(σcon-∑σli)
Ay—長度l范圍內(nèi)所有預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面面積(mm2)
σcon—預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力(N/mm2)
∑σli—預(yù)應(yīng)力鋼筋總的預(yù)應(yīng)力損失(N/mm2)
預(yù)應(yīng)力鋼筋的等效壓力
R——l范圍內(nèi)池體環(huán)向水平半徑，取平均值(m)；
α——殼體法向與水平面的夾角；
通過以上計算，環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋的內(nèi)力轉(zhuǎn)化成等效外荷載；
為使該等效荷載方便施加在ANSYS模型中，近似用線性插值計算各個單元中點處的等效壓力；
徑向預(yù)應(yīng)力筋對卵形消化池殼體產(chǎn)生的徑向壓力也按上述方法等效成均布的側(cè)壓力；另外，由于豎向預(yù)應(yīng)力筋非連續(xù)，故在錨固端、張拉端應(yīng)施加相應(yīng)的節(jié)點力，節(jié)點力的大小由徑向預(yù)應(yīng)力筋面積及有效預(yù)應(yīng)力值的乘積決定，方向與端部預(yù)應(yīng)力筋一致；
(4-4)卵形消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力分析；
(4-5)卵形消化池在設(shè)計值作用下的受力分析；
步驟五輸入地震波，采用三維整體建模的方法對上述卵形消化池的簡化模型進行動力分析，由ANSYS模態(tài)分析獲得卵形消化池的動力特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卵形消化池靜動力分析方法，其中，所述計算模型是在剛性地基上的計算模型，用ANSYS系統(tǒng)進行內(nèi)力計算和分析，所述消化池的池壁采用殼體單元，所述消化池的基礎(chǔ)采用實體單元，并在基礎(chǔ)底面上灌注樁的位置處施加固定約束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卵形消化池靜動力分析方法，其中，所述該消化池載荷的組合情況是
標準值組合，以用于計算預(yù)應(yīng)力鋼筋，其組合由重力+水壓+氣壓形成；
空池時，產(chǎn)生豎向彎矩的最不利荷載組合，其組合由重力+預(yù)應(yīng)力形成；
閉水試驗時的荷載組合，其組合由重力+預(yù)應(yīng)力+水壓形成；
閉水、閉氣試驗時的荷載組合，其組合由重力+預(yù)應(yīng)力+水壓+氣壓形成；
正常使用階段的荷載組合，其組合由重力+預(yù)應(yīng)力+水壓+氣壓+溫度形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卵形消化池靜動力分析方法，其中，所述步驟四中的卵形消化池在設(shè)計值作用下的受力分析包括
卵形消化池在預(yù)應(yīng)力等效壓力作用下的內(nèi)力；
卵形消化池在各荷載工況下的受力分析；
卵形消化池在各種荷載工況下的變形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的卵形消化池靜動力分析方法，其中，所得出的卵形消化池的動力特性是在空池和滿池兩種狀態(tài)下的振型和頻率，其前十階振型如下
振型1是左右擺動；
振型2是前后擺動；
振型3是0度和90度方向膨脹壓縮；
振型4是45度和135度方向膨脹壓縮；
振型5是扭動；
振型6是0度和60度方向膨脹壓縮；
振型7是30度和90度方向膨脹壓縮；
振型8是上下脹縮；
振型9是22.5度和67.5度方向膨脹壓縮；
振型10是0度和45度方向膨脹壓縮。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種卵形消化池靜動力分析方法，包括以下步驟確定消化池的結(jié)構(gòu)、材料及地質(zhì)參數(shù)；定義消化池的載荷及取值范圍；基于ANSYS系統(tǒng)中的板殼單元和三維塊體單元建立并計算該消化池的簡化模型；確定消化池載荷及工況的組合；將每束預(yù)應(yīng)力鋼筋的壓力分別折算成該束鋼筋作用范圍內(nèi)的均布壓力；預(yù)應(yīng)力荷載的等效轉(zhuǎn)化，將環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋的內(nèi)力轉(zhuǎn)化成等效外荷載；近似用線性插值計算各個單元中點處的等效壓力；對消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力進行分析；對卵形消化池在設(shè)計值作用下的受力進行分析；輸入地震波，采用三維整體建模的方法對上述卵形消化池的簡化模型進行動力分析，得出卵形消化池的動力特性。
文檔編號G06F17/50GK101211378SQ20071006016
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月25日
發(fā)明者海 高, 高家增, 紀政國, 張建華, 史志利, 張雪梅, 魯航線, 趙曉飛, 寬 段, 博 高, 宋紅玉, 王洪云, 王秀朵 申請人:天津市市政工程設(shè)計研究院