天津港某污水處理池的抗震分析

張 玥，熊立紅，屈 凱

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津 300074)

天津港某污水處理池的抗震分析

張 玥1，熊立紅1，屈 凱2

(1. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384；2. 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津 300074)

利用 ANSYS有限元分析軟件，對(duì)天津港某在建污水池進(jìn)行了地震作用下的有限元分析，得到其受力分布，并給出了震害評(píng)估，以彌補(bǔ)目前污水池在抗震驗(yàn)算方法中存在的不足，為工程中現(xiàn)行的設(shè)計(jì)方案提供支持，提出調(diào)整建議，也為以后相關(guān)問題的研究提供參考．

污水池；ANSYS；裂縫；震害評(píng)估

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度和要求日益提高．為了加強(qiáng)對(duì)水污染問題的治理，各地近年來興建了許多污水處理設(shè)施．鑒于水工結(jié)構(gòu)的特殊功能，其控制因素通常取決于裂縫而不是承載力．一方面，存在裂縫的水池不容易修補(bǔ)；另一方面，裂縫的出現(xiàn)，必然導(dǎo)致大量摻有化學(xué)添加劑的污水滲入地下和周邊，對(duì)當(dāng)?shù)赝寥涝斐晌廴荆畵?jù)了解，目前國(guó)內(nèi)缺少直接針對(duì)污水處理池的專業(yè)結(jié)構(gòu)分析軟件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者大都依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，取出簡(jiǎn)化構(gòu)件和結(jié)構(gòu)模型(一般是把各個(gè)池壁作為孤立的懸挑板來進(jìn)行分析)，通過手算，配合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)．設(shè)計(jì)包括接觸池等在內(nèi)的地下式水池時(shí)，通常不做抗震驗(yàn)算，所以在很大程度上對(duì)水池整體的受力分布情況了解得不夠深入，這對(duì)于投資額較大的項(xiàng)目可能會(huì)造成浪費(fèi)，或結(jié)構(gòu)不安全．針對(duì)這一狀況，本文利用 ANSYS有限元分析軟件，對(duì)天津港某在建污水池進(jìn)行了抗震驗(yàn)算．

1 工程概況

圖1 平面布置

該接觸池為現(xiàn)澆鋼筋混凝土矩形水池，主要用于對(duì)池中污水進(jìn)行加氯消毒，面積 241,m2，水池高5.3,m(加墊層)．基礎(chǔ)采用靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，有效樁長(zhǎng) 20,m，共 55根，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值均大于900,kN，周圍土壤容重18,kN/m3．工程室外地坪標(biāo)高±0.000,m相當(dāng)于新港的理論高程 6.800,m．主體結(jié)構(gòu)埋入地下 4.7,m，池壁±0.000,m (絕對(duì)標(biāo)高 6.800,m)以上部分均外露，正常水位 4.1,m (含地下 4.1,m)．具體平面布置見圖 1．池壁、底板、頂板混凝土強(qiáng)度為 C30，另在池底板下打有 100,mm 厚C10素混凝土墊層．工程設(shè)計(jì)場(chǎng)地類別為四類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)防烈度為七度．設(shè)計(jì)方案中除最右側(cè)池壁的縱向配筋是φ1 4 @150外，其余構(gòu)件不論縱橫，配筋均為φ1 4 @200．混凝土保護(hù)層厚度縱筋35,mm，橫筋50,mm．

2 有限元建模[1]

2.1 單元的選取

水池結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土壁梁板結(jié)構(gòu)，故水池壁、板部分采用Shell63單元，梁采用Beam4單元．Shell63單元具有彎曲能力和膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度，沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X，Y，Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系 X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；Beam4是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元，這種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有 6個(gè)自由度，沿 x，y，z三個(gè)方向的線位移和繞 x，y，z三個(gè)軸的角位移，可用于計(jì)算應(yīng)力硬化及大變形的問題．

2.2 材料參數(shù)的選取

本工程中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30，其彈性模量Ec=3.0×1010,N/m2，泊松比ν＝0.167，重度γ＝25,kN/m3，抗壓強(qiáng)度 fc＝14.3 N/mm2．

2.3 建立網(wǎng)格劃分模型

取平面布置圖中左下角縱橫兩塊池外壁面與池底上面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立笛卡爾坐標(biāo)系，并以此建立幾何模型．根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖，換算出各關(guān)鍵點(diǎn)(軸線交點(diǎn))在笛卡爾坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然后建立幾何模型．網(wǎng)格劃分采用六面體單元．

3 等代荷載換算

工程設(shè)計(jì)中，對(duì)地下式水池的內(nèi)力組合通常分為兩種情況：第一種是假設(shè)池中充滿水而周邊土不回填，驗(yàn)算池壁、板以及某些關(guān)鍵部位在靜水壓力及結(jié)構(gòu)自重的作用下，其材料強(qiáng)度和變形是否滿足設(shè)計(jì)要求；第二種是假設(shè)池中干涸而周邊土回填，計(jì)算在靜土壓力作用下構(gòu)件的承載力．與靜力條件下考慮不同，地震作用下水池的內(nèi)力組合則應(yīng)該以工作狀態(tài)為依據(jù)．一方面，水池建成后，必然要處于高頻率的使用當(dāng)中，清理池底或其它原因所導(dǎo)致的池內(nèi)無水情況很少，而地震發(fā)生的頻率很低，持續(xù)時(shí)間短，在無水狀態(tài)下遭遇地震的可能性從理論上講屬于小概率事件．由于污水接觸池不屬于十分重要或容易導(dǎo)致大面積次生災(zāi)害的構(gòu)造物，因此沒有必要對(duì)出現(xiàn)小概率事件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，這樣有利于降低工程造價(jià)；另一方面，一旦工程完成，周邊土回填，重新開挖的情況將更少見．綜上所述，無覆土地下式水池進(jìn)行抗震驗(yàn)算時(shí)考慮的作用力因素應(yīng)主要包括：結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的慣性力、動(dòng)水壓力、動(dòng)土壓力、靜水壓力、靜土壓力以及結(jié)構(gòu)自重．

3.1 構(gòu)件慣性力

根據(jù)《室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》[2](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)，地下式盛水構(gòu)筑物在水平地震作用下的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值可表示為

對(duì)于水池頂蓋，其慣性力標(biāo)準(zhǔn)值為

式中

FGWZ,k——池壁沿高度的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

ηm——地震影響系數(shù)的調(diào)整系數(shù)，取1.5；

K H——基本地震加速度與重力加速度的比值，此處等于0.15；

gW——池壁沿高度的單位面積重度，kN/m2；

Wd——水池頂蓋自重，kN．

3.2 動(dòng)水壓力

按文獻(xiàn)[2]取值

式中

Fwr,c——矩形水池動(dòng)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

γW——池內(nèi)水的重力密度，kN/m3；

H W——水深，取4.7m；

fwr——矩形水池的動(dòng)水壓力系數(shù)，該地下式接觸池 a1/HW= 2 0.4/4.7 = 4 .34 ≥ 3 ，所以，fwr取 0.27．

3.3 動(dòng)土壓力[3]

動(dòng)土壓力從地表沿z軸負(fù)向呈線性分布，因此需要計(jì)算其表層動(dòng)土壓力和池底動(dòng)土壓力．由于該接觸池上部無覆土，因此其表層土壓力為 0．按文獻(xiàn)[2]計(jì)算池周邊動(dòng)土壓力

式中

Fes,k——地震時(shí)作用于水池池壁任一高度上的最大土壓力增量，kN/m2；

Fep,k——相應(yīng)計(jì)算高度處的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；此處土重度取 20,kN/m3；

φ——池壁外側(cè)土內(nèi)摩擦角，按《規(guī)范》取值φ= 3 0°．

3.4 靜水壓力

按文獻(xiàn)[4]提供的計(jì)算公式(不計(jì)水面預(yù)留余高)

由此得出作用在各相關(guān)構(gòu)件上的靜水壓力(線性荷載)為

3.5 靜土壓力

按文獻(xiàn)[5]提供的計(jì)算公式

由此得出作用在各相關(guān)構(gòu)件上的靜土壓力(線性荷載)為

4 位移邊界條件

由于工程中采用的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是直接作用在持力層上，因此其性質(zhì)屬于端承樁．從以往的施工經(jīng)驗(yàn)上看，本工程的布樁比較密(平均間距不到2,m)．該水池的地基處理沒有采用常用的混凝土灌注樁配合工程樁的復(fù)合地基處理工藝，屬于單純的長(zhǎng)樁式地基．又因?yàn)楫?dāng)?shù)氐膱?chǎng)地條件屬于淤泥質(zhì)土，與混凝土端承管樁相比，二者剛度相差很大；從力學(xué)角度來分析，復(fù)合地基中剛度較大的樁體承擔(dān)了絕大部分的上部荷載，而剛度較小的樁間土分擔(dān)到的荷載則較?。虼?，可以將該地基視為無豎向位移的剛性地基．

5 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)水池中的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件編號(hào)如圖2所示．

圖2 構(gòu)件編號(hào)

5.1 x向地震作用下的內(nèi)力計(jì)算

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得出各構(gòu)件的應(yīng)力分布如圖3所示．

圖3 x向地震作用下的應(yīng)力分布云圖

5.2 y向地震作用下的內(nèi)力計(jì)算

計(jì)算原理同5.1，應(yīng)力極值分布如圖4所示．

圖4 y向地震作用下的應(yīng)力分布云圖

裂縫計(jì)算值見5.3．

5.3 震害評(píng)估

根據(jù)工程要求，該構(gòu)筑物最大裂縫允許值[]0.2ω=mm．對(duì)結(jié)構(gòu)做震害評(píng)估，見表1．

表1 基于ANSYS得出的各池壁震害結(jié)果

對(duì)于有蓋的鋼筋混凝土蓄水池，《規(guī)范》建議的抗震驗(yàn)算方法是將水池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為若干等代框架，通過計(jì)算各項(xiàng)水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值后，折算到每榀框架上，再在等代框架頂端加設(shè)限制側(cè)移的鏈桿，計(jì)算等代框架在水平地震作用下的內(nèi)力，并求出附加鏈桿的反力 R；再根據(jù)矩形水池的長(zhǎng)、寬比(L/B)及頂蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)造，確定地震作用折減系數(shù) ηr，然后將鏈桿反力折減為ηrR，并將其作用于等代框架頂部，計(jì)算等代框架的內(nèi)力；最后將計(jì)算所得的等代框架內(nèi)力疊加，獲得等代框架在水平地震作用下所產(chǎn)生的作用效應(yīng)(見圖 5)．

圖5 有蓋矩形水池的內(nèi)力分析簡(jiǎn)圖

為了確保結(jié)果的可信，需要與《規(guī)范》中建議的抗震驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比．將各項(xiàng)地震作用標(biāo)準(zhǔn)值代入，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的相關(guān)理論，可以得出《規(guī)范》建議的震害評(píng)估結(jié)果，見表2．

表2 基于結(jié)構(gòu)力學(xué)得出的各池壁震害結(jié)果

從評(píng)估結(jié)果來看，基于兩種分析方法得出的結(jié)果相差不大，尤其是對(duì)橫向裂縫的計(jì)算上，二者吻合較好；在豎向裂縫的計(jì)算上，后者的結(jié)果偏大，這主要是因?yàn)楹笳咴趯?duì)池壁的簡(jiǎn)化上采用的是固端梁計(jì)算模型，這與真實(shí)池壁三邊呈固端的邊界條件存在出入．因此，此處ANSYS的分析結(jié)果可靠度更高．

6 結(jié)論及建議

(1)與原設(shè)計(jì)方案中的裂縫驗(yàn)算值相比，只要水池是處于工作狀態(tài)，則地震作用下構(gòu)件的開裂情況不會(huì)有明顯增加．這是因?yàn)樗貎?nèi)部的水壓力同周邊土壓力相互抵消，使得結(jié)構(gòu)受到的合力增幅不大，某些部位甚至可能低于靜力驗(yàn)算組合：當(dāng)外部土壓力和內(nèi)部水壓力同時(shí)存在時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)而言，二者互成一個(gè)有利荷載(靜力驗(yàn)算通常只考慮一個(gè)荷載，從而忽略了抵消效應(yīng))．因此結(jié)合計(jì)算結(jié)果與力學(xué)分析可知，水池中蓄水要比無水狀態(tài)下的抗震性能更好．所以水池建成后，在使用過程中應(yīng)盡量使水池保持蓄水狀態(tài)．在無特殊情況，不要隨便開挖水池周邊的回填土．

(2)加載后的應(yīng)力云圖顯示，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布較均勻，除因?yàn)榻o排水工藝所要求的幾個(gè)開口處外，其余部分的有限元分析結(jié)果較手算結(jié)果的應(yīng)力突變點(diǎn)要少，說明構(gòu)件間的相互協(xié)調(diào)作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響不宜忽略；另外，也說明該結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布局是合理的．

(3)從計(jì)算結(jié)果上看，該接觸池在設(shè)防烈度為 7度的地震作用下，最大裂縫只有 0.061,mm；大多數(shù)構(gòu)件的裂縫寬度值都在0.01,mm以下，而且產(chǎn)生裂縫的應(yīng)力極值分布點(diǎn)很少，說明水池在遭受設(shè)計(jì)地震時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)微裂縫密集的情況，完全可以滿足“中震不壞”的設(shè)防目標(biāo)．這與以往工程中認(rèn)為地下式水池結(jié)構(gòu)的抗震性能較好的經(jīng)驗(yàn)相符．

(4)由于構(gòu)件的裂縫驗(yàn)算值遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)允許值(不到1/10)，構(gòu)件強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也存在大量安全儲(chǔ)備，因此在以后的同類工程中，可以考慮適當(dāng)減少對(duì)構(gòu)件的配筋，以降低工程造價(jià)．

［1］王勖成. 有限單元法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［2］GB50032—2003，室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［3］郭恩棟，馮啟民. 矩形鋼筋混凝土蓄水池震害預(yù)測(cè)方法及分析程序簡(jiǎn)介[R]. 哈爾濱：中國(guó)哈爾濱國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所，1995.

［4］羅固源，肖明葵. 水力學(xué)[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2004.

［5］東南大學(xué)，浙江大學(xué)，湖南大學(xué)，等. 土力學(xué)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［6］GB50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Analysis of a Cistern of Sewerage under Earthquakes in Tianjin Harbor

ZHANG Yue1，XIONG Li-hong1，QU Kai2
(1. Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China；2. North China Municipal Engineering Design and Research Institute，Tianjin 300074，China)

This paper carries out a finite element analysis in a cistern of sewerage under earthquakes in Tianjin Harbor by using the FEM software of analysis-ANSYS, and then attains the stress-distributions and earthquake damage assessments. Hopefully, the research result may fill the gap in recent cisternal calculation of earthquakeresistance checking, provide support and offer advices about adjustments for the current design schemes, and give reference to the research of similar projects in the future.

cistern of sewerage；ANSYS；crack；earthquake damage assessment

TU375.02

A

1006-6853(2010)02-0107-05

2009-12-29；

2010-03-25

張 玥（1986—），男，貴州貴陽人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生．