HPS澄清池結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化分析

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(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌712100； 2.咸陽第一建筑工程有限公司， 陜西 咸陽 712000)

0 引 言

新型澄清池技術(shù)是集反應(yīng)、混合、絮凝、懸浮泥渣吸附和澄清分離、旋流沉淀于一體的先進(jìn)的水凈化處理技術(shù), 該澄清池的內(nèi)外層共用一個池壁, 使其結(jié)構(gòu)更加緊湊、效能也有很大的增強(qiáng)，是甘肅金橋給水排水設(shè)計(jì)與工程有限公司為了處理高濁度水而研究和開發(fā)的給水處理工藝中的一種主要構(gòu)筑物。這項(xiàng)新技術(shù)為集中解決沿黃流域的中小水廠的水質(zhì)凈化的較為理想的處理工藝,為已有的高濁度水廠改造與新水廠建設(shè)提出了一種先進(jìn)的新技術(shù)。它應(yīng)用于中小水廠工藝流程短,可以用人工或自動排泥，節(jié)約勞動力,方便快捷,可以運(yùn)用于高濁度水的濾前凈化工藝[1]。

新型澄清池技術(shù)它具有工藝技術(shù)先進(jìn)、日處理水量高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎和規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，所以它是一種值得廣泛應(yīng)用和推廣的新型給水處理技術(shù)。該技術(shù)在地震烈度為8度的西安和蘭州地區(qū)的應(yīng)廣泛推廣, 本文通過減小壁厚并改變結(jié)構(gòu)形式對原方案進(jìn)行優(yōu)化，建立兩種方案整體結(jié)構(gòu)有限元模型，通過計(jì)算分析,評估優(yōu)化后模型的可靠性。

1 HPS澄清池的技術(shù)簡介

“HPS新型澄清池”是由西安建筑科技大學(xué)與甘肅金橋水科技集團(tuán)共同創(chuàng)新和研發(fā)的一種新型澄清池結(jié)構(gòu)，其前身為“高效澄清池”，其工作原理如圖1。

1.1 HPS澄清池的工作原理及工藝流程

澄清池池體主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其導(dǎo)流板、反應(yīng)筒、集水槽和擋泥板等部件為鋼板，導(dǎo)流室壁的坡度是55°-60°，混凝室的錐形坡度為45°。其工藝流程和工作原理如圖1。

(1)在管道混合器中混凝劑與原水充分混合后，當(dāng)其進(jìn)入中筒后于I區(qū)進(jìn)行混合反應(yīng)。經(jīng)過混合反應(yīng)后部分懸浮物會在Ⅱ和Ⅲ區(qū)實(shí)現(xiàn)沉淀并分離。

(2) 完成旋流后的渾水進(jìn)行流態(tài)穩(wěn)定后由中筒上部的導(dǎo)水板翻入中筒與導(dǎo)水板之間的絮凝區(qū)，完成絮體成長；

(3)流出導(dǎo)水板的渾水隨后進(jìn)入外側(cè)的污泥懸浮區(qū)域Ⅴ，在此區(qū)域完成接觸絮凝。

(4) 在澄清區(qū)Ⅵ因水流進(jìn)入并上升時流速驟減，渾水則挾絮體由此實(shí)現(xiàn)固液分離。

(5)為進(jìn)一步控制水中殘余絮體，于Ⅵ區(qū)上部增設(shè)斜管。

(6) 由于靜水壓力特別大的原因，打開排泥閥時，澄清池的底部及中筒以下設(shè)置的45°錐體泥斗處，底部產(chǎn)生的高流速，會通暢的排出積泥。

新型澄清池集旋流沉淀、混合、懸浮泥渣過濾和澄清等工藝流程在同一池體內(nèi)實(shí)現(xiàn)，其排泥方式采用的是兩步重力式排泥。

圖1 HPS澄清池工作原理圖

1.2 兩方案澄清池的結(jié)構(gòu)形式

HPS澄清池共2組，每組產(chǎn)水量為2 500 m3/h，其工藝尺寸為86.9×17.1×6.8 m3和86.9×17.1×7.2 m3的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；炷恋膹?qiáng)度為C30防水混凝土，兩方案的設(shè)計(jì)剖面圖如下圖2、圖3 所示，構(gòu)件尺寸對比見下表1，構(gòu)件參數(shù)見下表2。

圖2 原方案澄清池的剖面圖(單位:mm)

圖3 優(yōu)化后HPS池的剖面圖(單位:mm)

兩方案板厚板名稱 原方案(mm)優(yōu)化后方案(mm)池壁 850350錐體2400350錐體1800400

表2 各構(gòu)件的參數(shù)說明

2 澄清池有限元模型

將澄清池幾何模型利用MIDAS/Gen將其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，用板單元來模擬池體底板、池壁和圓錐體，用空間梁單元來模擬梁、斜支撐、斜拉桿和柱等構(gòu)件，用墻單元來模擬剪力墻，建立其三維有限元模型。兩方案澄清池的整體結(jié)構(gòu)模型見圖4、圖5。

2.1 兩方案澄清池的有限元模型對比

模型中各構(gòu)件的具體位置和尺寸見圖2、圖3和表1。對比圖4、圖5兩方案整體模型可知：原方案的結(jié)構(gòu)形式為板—拉結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。

2.2 池體的運(yùn)行工況

根據(jù)澄清池實(shí)際工作的運(yùn)行情況，澄清池池體所受活荷載主要為水荷載，需考慮澄清池池體以下3種荷載組合：

(1)內(nèi)池和外池均考慮水荷載(見圖6)；

(2)外池考慮水荷載，內(nèi)池不考慮水荷載(見圖7)；

(3)內(nèi)池考慮水荷載，外池不考慮水荷載(見圖8)。

圖4原方案澄清池整體模型圖5優(yōu)化后澄清池整體模型

圖6內(nèi)池和外池均滿水圖7外池滿水圖8內(nèi)池滿水

3 兩方案結(jié)構(gòu)有限元分析比較

根據(jù)澄清池正常使用階段的最不利工況組合，結(jié)合CECS 138-2002，并依據(jù)GB50010-2010，兩種模型分別進(jìn)行靜力計(jì)算、模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析，對比分析兩模型的位移和內(nèi)力結(jié)果并比較分析兩結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)。在計(jì)算中，池體的靜力荷載組合按以下4種情況進(jìn)行考慮。

組合1: 1.0恒荷載 + 1.0內(nèi)外池滿水時的活荷載

組合2: 1.2恒荷載 + 1.27內(nèi)外池滿水時的活荷載

組合3: 1.2恒荷載 + 1.27外池滿水時的活荷載

組合4: 1.2恒荷載 + 1.27內(nèi)池滿水時的活荷載

3.1 兩方案澄清池結(jié)構(gòu)靜力比較分析

分別計(jì)算兩模型在以上4種荷載組合作用的內(nèi)力和位移，對比分析其計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式從受力特征和變形性能上的提高作用明顯。

3.1.1 池體位移對比分析 經(jīng)計(jì)算，在組合2工況下，兩方案都出現(xiàn)最大位移，兩方案在最不利組合下的位移等值線如下圖9、圖10。其最大位移出現(xiàn)的位置及其值見表3、表4。

圖9 組合2工況下原方案池體位移等值線圖

由圖6可以看出，原方案池體在組合2(內(nèi)池外池滿水)工況下，矩形池壁、錐體池壁變形較大，其中變形最為明顯是矩形池壁y方向。優(yōu)化后方案池體中池壁的變形很小，各池壁中變形最明顯的是矩形池壁，其最大位移為Uy=1.55 mm，而最大位移發(fā)生在環(huán)梁處。兩方案的最大位移及其出現(xiàn)的位置見表3，由表3可得兩方案均滿足規(guī)范限制值Δ/L<1/200要求。

圖10 組合2工況下優(yōu)化后池體位移等值線圖

方案名稱最大位移值(mm)出現(xiàn)的位置規(guī)范限制(mm)原方案4.973矩形池壁上端中部84優(yōu)化后方案16.870環(huán)梁1與斜拉桿1的交界處84

由上述分析可得，優(yōu)化后的池壁的變形很小，而澄清池作為水處理構(gòu)筑物,對裂縫要求比較嚴(yán)格，一旦混凝土池壁開裂將出現(xiàn)漏水現(xiàn)象, 不僅會降低其水處理能力, 還會對后期使用造成安全隱患。

因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu), 從使用性能上可以得到很大的提高。

3.1.2 池體內(nèi)力對比分析 對比兩方案可得，優(yōu)化后澄清池由于結(jié)構(gòu)體系的變化，使整個結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化很大，其中最為突出的是對錐體和矩形池壁的影響，所以本文將重點(diǎn)對比分析錐體和矩形池壁的內(nèi)力。兩方案結(jié)構(gòu)形式的最不利內(nèi)力及出現(xiàn)的位置見表4。

數(shù)據(jù)表明，改變結(jié)構(gòu)形式后不僅可以減小澄清池池壁厚，使結(jié)構(gòu)的自重減輕，而且增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體剛度，降低了構(gòu)件的內(nèi)力值，結(jié)構(gòu)的受力也更加合理。

本節(jié)利用有限元軟件計(jì)算分析兩種方案澄清池整體結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算過程中按承載能力極限狀態(tài)方法計(jì)算在最不利工況下兩種方案結(jié)構(gòu)的受力性能，按正常使用極限狀態(tài)方法驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的裂縫寬度和抗裂度，根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，驗(yàn)算表明其配筋結(jié)果既滿足強(qiáng)度和剛度的要求，也滿足規(guī)范有關(guān)抗裂度要求。

驗(yàn)算結(jié)果還表明，減小池體池壁厚改善了結(jié)構(gòu)的整體剛度和降低了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值，但由于減小了截面受力面積，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的抗裂度下降。因此，若采用普通混凝土結(jié)構(gòu)，減小池壁厚度對結(jié)構(gòu)的抗裂度較為不利，優(yōu)化后方案結(jié)構(gòu)計(jì)算中，在進(jìn)行水平拉梁抗裂度驗(yàn)算時，為了滿足規(guī)范要求，所配鋼筋較密，考慮到施工方便建議對該梁施加預(yù)應(yīng)力。

表4 最不利工況下兩方案的內(nèi)力對比表

3.2 兩方案澄清池結(jié)構(gòu)的動力比較分析

池體的動力分析計(jì)算是基于靜力計(jì)算的模態(tài)分析和在考慮到水平地震荷載下的振型分解反應(yīng)譜法來計(jì)算地震反應(yīng)。在建筑結(jié)構(gòu)中，計(jì)算地震力最實(shí)用的方法就是反應(yīng)譜法，這種方法設(shè)計(jì)比較方便，它是將地震荷載等效計(jì)算后，按靜力方法來計(jì)算，在地震作用下按此方法求出的內(nèi)力可以代表結(jié)構(gòu)的最不利內(nèi)力組合，按此內(nèi)力設(shè)計(jì)的截面，也可達(dá)到抗震設(shè)防的要求。對兩種方案的結(jié)構(gòu)模型均采用反應(yīng)譜方法進(jìn)行計(jì)算，在水平地震荷載下的位移圖如圖11、圖12。由圖可知，x向的位移較原結(jié)構(gòu)減小約41.1%，而對于y向的位移而言，優(yōu)化后方案較原方案減小約33.6%，對比可知，梁板柱框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比原方案采用板柱結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力得到很好的提高。

在水平荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)對稱，池體的變形也對稱。在十階以下振型時，兩方案模型在x或者y方向反應(yīng)譜下，整個池體均表現(xiàn)出很明顯的剛性特性，其池壁表現(xiàn)為剛性平動。當(dāng)十階以上振型時，兩方案的矩形池壁都分別出現(xiàn)局部振動，原方案的局部振動出現(xiàn)在矩形池壁中部上端位置，而優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)由于池壁上梁的作用使池壁的振動有效減小，故優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式對限制結(jié)構(gòu)的局部振動有很大的提高。

圖11 原方案x方向反應(yīng)譜下結(jié)構(gòu)位移圖

圖12 優(yōu)化后方案x方向反應(yīng)譜下結(jié)構(gòu)位移圖

經(jīng)計(jì)算可知，兩方案的在x或y方向反應(yīng)譜下池體的應(yīng)力分布很相似，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在錐體1的下部，矩形池壁下角點(diǎn)，而優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的水平拉梁和池壁的交界處得應(yīng)力的也比較大，這些部位不同程度的出現(xiàn)了應(yīng)力集中，相應(yīng)位置都應(yīng)該注意加強(qiáng)。

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用大型有限元分析軟件MIDAS/Gen，以實(shí)際工程為研究對象，通過計(jì)算，研究兩方案澄清池池體結(jié)構(gòu)的靜力、動力特性，可得出以下結(jié)論：

(1)在靜力和動力作用下，優(yōu)化后澄清池模型的力學(xué)特性得到有效的提高。通過分析結(jié)果可以得出，優(yōu)化后主體結(jié)構(gòu)在靜力和動力荷載下也表現(xiàn)出良好的使用特性。

(2)為保證結(jié)構(gòu)能夠安全且正常使用，對澄清池池體結(jié)構(gòu)，需要求其裂縫寬度在正常使用階段滿足具體規(guī)范要求，對裂縫要求高的結(jié)構(gòu)還需驗(yàn)算其抗裂度是否滿足規(guī)范要求，因?yàn)榛炷烈坏╅_裂，整個池壁將貫通裂縫，不僅會造成水池漏水現(xiàn)象，而且裂縫的出現(xiàn)還會使整個結(jié)構(gòu)的耐久性降低，使結(jié)構(gòu)不能正常使用。結(jié)構(gòu)正常使用時，如果優(yōu)化后池體采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，要求結(jié)構(gòu)的環(huán)向裂縫寬度或者其抗裂度滿足具體規(guī)范要求時，在結(jié)構(gòu)計(jì)算后水平拉梁2的配筋會很大，造成施工困難，為使材料強(qiáng)度能充分利用，對水平拉梁建議采用預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。

(3)由于結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，由模態(tài)分析可知模型局部振動振型和整體平動振型交替出現(xiàn)的順序及其階數(shù)。故模型的計(jì)算分析為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)提供了很好的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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