預(yù)應(yīng)力蛋形消化池地下連續(xù)墻—土相互作用分析★

陳華明 諸民 姜毅

(1.中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院，北京 100048; 2.北京總參和平村工程指揮部，北京 100082; 3.海軍上海營建辦，上海 200083)

1 概述

近年來，隨著城市擴(kuò)容發(fā)展，城市污水處理廠日趨增多，污水處理構(gòu)筑物的容量也日趨增大。因此，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、容量大、經(jīng)濟(jì)可靠的消化池就顯得十分重要。與傳統(tǒng)的圓柱形儲液罐相比，預(yù)應(yīng)力蛋形消化池以其在結(jié)構(gòu)外形、容量和經(jīng)濟(jì)效益等方面的優(yōu)越性，正逐步成為污水消化池池形的發(fā)展方向［1-3］。

在我國已建成的蛋形消化池設(shè)計(jì)中，一般池體高度在40 m～50 m，1/4埋入地下，埋深近8 m～10 m，有的甚至達(dá)到12 m～15 m。由于埋深大，因此施工時(shí)需對消化池的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑圍護(hù)。如果采用樁基支撐，則在開挖基坑過程中還需考慮邊坡穩(wěn)定問題。在較軟土體中，地下水位高時(shí)，采用樁基時(shí)一般需進(jìn)行土體加固及隔水措施，如圖1所示。如果采用地下連續(xù)墻作為蛋形消化池的基礎(chǔ)，同時(shí)又作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，一墻兩用，則是一個(gè)比較經(jīng)濟(jì)、安全的方案，如圖2所示。

圖1 采用樁基的蛋形消化池

圖2 采用地下連續(xù)墻的蛋形消化池

地下連續(xù)墻一般作為地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而兼作為圍護(hù)、基礎(chǔ)受力的情況較少。但工程實(shí)例表明使用該種結(jié)構(gòu)形式，較好地解決了地基液化對結(jié)構(gòu)的影響問題和基坑開挖時(shí)對相鄰建筑物的保護(hù)問題，同時(shí)節(jié)約了造價(jià)。預(yù)應(yīng)力混凝土蛋形消化池基礎(chǔ)抗震設(shè)計(jì)時(shí)采用地下連續(xù)墻比較合理，同時(shí)更具創(chuàng)新性［4］。

本文采用ANSYS建立了整體模型，計(jì)算預(yù)應(yīng)力蛋形消化池地下連續(xù)墻—土相互作用的過程中同時(shí)考慮了流固耦合作用，從整體上來綜合評估結(jié)構(gòu)的性能。

2 考慮流固耦合的蛋形消化池地下連續(xù)墻—土相互作用有限元分析

1)預(yù)應(yīng)力鋼筋等效荷載。

蛋形消化池的環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，等效為環(huán)向均布荷載。設(shè)施加預(yù)應(yīng)力T，施加預(yù)應(yīng)力處半徑為R，見圖3a)，設(shè)等效環(huán)向均布荷載為p，則:

得:

同樣的，徑向無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋也可等效為縱向均布荷載，見圖3b)。根據(jù)平衡條件:

得:

圖3 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力等效圖

由上述分析可知，等效荷載與角度α，θ有關(guān)。

2)蛋形消化池流固耦合分析。

在文獻(xiàn)［5］［6］中，分析了蛋形消化池中盛有水體時(shí)結(jié)構(gòu)的自振頻率及在地震載荷作用下的動應(yīng)力，并與國內(nèi)首次模擬地震震動臺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了該種建模方法的正確和合理性。這里簡要描述有限元建模的基本原則:a.當(dāng)消化池中流體在地震荷載下晃動時(shí)，由于重力的作用，流體表面總是趨向于其平衡置。為了模擬這種效應(yīng)，流體表面單元須考慮加彈簧。b.接觸處的流體和固體在法向自由度上應(yīng)保持一致，而其他方向位移則不作約束，即流體和固體間就可在切向產(chǎn)生相對滑動［5］。

3)地下連續(xù)墻—土相互作用分析［7］。

地下連續(xù)墻—土相互作用是接觸作用，這是一種高度非線性作用，有兩個(gè)難點(diǎn):首先是建立模型之前，接觸區(qū)域表面之間是接觸、分開的或者是突然變化的無法確定;其次接觸作用都涉及摩擦，摩擦作用都是非線性的，這使得計(jì)算時(shí)比較難以收效。

ANSYS有三種接觸方式:點(diǎn)—點(diǎn)、點(diǎn)—面、面—面。本文采用面—面接觸單元，即柔性體的表面作為接觸面，用Conta173單元模擬，剛性體的表面作為目標(biāo)面，用Targe170單元模擬。

4)蛋形消化池有限元建模。

在ANSYS建模過程中采用的單元如下:a.池體和周圍土體采用Solid45實(shí)體單元。土體的本構(gòu)模型采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。流體采用 Fluid80實(shí)體單元。b.地下連續(xù)墻目標(biāo)面采用Targe170單元，土體接觸面采用Conta173單元。

蛋形消化池中部最大直徑22 m，高40 m，池體厚度從頂部400 mm漸變?yōu)榈撞?00mm，地下連續(xù)墻深25m，墻厚800mm，池體內(nèi)部充滿水。采用參數(shù)如下:a.池體和地下連續(xù)墻:彈性模量E=3.25 ×1010Pa，泊松比為0.167，密度為2 500 kg/m3。b.土體:彈性模量 E=1 ×107Pa，泊松比為0.42，密度為2 000 kg/m3，粘聚力C=10，摩擦角為30°，膨脹角為30°。c.水體:彈性模量 E=2.06 ×109Pa，密度為 1 000 kg/m3，粘度為 0.011 3。

輸入地震波為El-Centro波，考慮7度多遇地震作用，峰值為0.35 m/s2。

1/4有限元模型圖包括池體、內(nèi)部流體、地下連續(xù)墻和土體。圖4是流體和池壁耦合的節(jié)點(diǎn)。在土體和連續(xù)墻之間以及土體和消化池下部結(jié)構(gòu)間設(shè)立接觸單元，每個(gè)接觸對有剛性目標(biāo)面和接觸面。接觸面由內(nèi)外柱面和底部圓環(huán)面組成。

有限元計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8所示。圖5為0.8 s時(shí)的動水壓力分布云圖?？梢钥吹皆诘卣鸷奢d作用下，水發(fā)生了晃動，產(chǎn)生了動水壓力。

圖4 流體和池壁耦合節(jié)點(diǎn)模型圖

圖5 0.8 s的動水壓力分布云圖

圖6 地下連續(xù)墻和周圍土Z方向應(yīng)力分布

圖6 為地下連續(xù)墻及周圍土體Z方向應(yīng)力分布，可知在地震波作用下，連續(xù)墻與周圍土體產(chǎn)生相對滑動，土體壓力最大為0.88 MPa，連續(xù)墻與承臺相連處因?yàn)榻孛嫱蛔?，故其?yīng)力會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大軸拉應(yīng)力為0.75 MPa。

圖7，圖8為地下連續(xù)墻在不同部位的第一主應(yīng)力時(shí)程曲線。圖7為墻端部點(diǎn)34461的第一主應(yīng)力時(shí)程曲線，該處第一主應(yīng)力最大為1.1 MPa。墻中部點(diǎn)34480的第一主應(yīng)力最大為0.2 MPa。圖8為地墻底部點(diǎn)34420的第一主應(yīng)力時(shí)程曲線，該處第一主應(yīng)力最大為 0.072 MPa。

可知，地下連續(xù)墻的最大拉應(yīng)力為1.1 MPa，最大壓應(yīng)力為0.31 MPa。由抗震規(guī)范可知，在7度地震下地下連續(xù)墻是安全的，不會壓壞或開裂。

圖7 墻端部點(diǎn)34461第一主應(yīng)力時(shí)程曲線

圖8 墻底部點(diǎn)34420第一主應(yīng)力時(shí)程曲線

3 結(jié)語

采用地下連續(xù)墻既能作為蛋形消化池地面以下部分施工基坑開挖的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又能作為上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，能起到二合一的效果，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上有優(yōu)勢，同時(shí)又能保證結(jié)構(gòu)的安全性。實(shí)際工程的效果也證明了其正確性和安全性。

［1］王 勁，董廣瑞，何德湛.蛋形消化池建造技術(shù)在我國的應(yīng)用［J］.中國給水排水，2001(9):65-66.

［2］章平川，徐小荷，何順利.流固耦合問題及研究進(jìn)展［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，1999，5(1):17-26.

［3］Sutter，Gerhard，Hanskat，et al.World’s largest egg-shaped digesters［J］.Water Environmentand Technology，1990，29(40):52-55.

［4］王勖成.有限單元法［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003:89-96.

［5］Jie Li，Hua-Ming Chen，Jian-Bing Chen.Studies on seismic performances of the prestressed egg-shaped digester with shaking table test［J］.Engineering Structures，2007(29):552-566.

［6］陳華明，李 杰，范民權(quán)，等.蛋形消化池與流體相互作用動力分析［J］.工程力學(xué)，2006，23(10):49-54.

［7］ANSYSTheory Reference，00855.Eighth Edition，SAS 1P、INC.