沙漠環(huán)境聯(lián)體水池結(jié)構(gòu)有限元分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

李昊，沈全鋒，張濤，隋新

中國石油工程建設(shè)公司，北京100101

沙漠環(huán)境聯(lián)體水池結(jié)構(gòu)有限元分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

李昊，沈全鋒，張濤，隋新

中國石油工程建設(shè)公司，北京100101

非洲某國沙漠地區(qū)長輸管道站場工程中的大型聯(lián)體水池，由于其運(yùn)行環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，為雙池并聯(lián)對(duì)稱布局、中間設(shè)置閥室結(jié)構(gòu)。文章著重分析了聯(lián)體水池閥室屋蓋主梁支撐的兩種方案：一種為主梁端與池壁固接，另一種為主梁鉸支于池壁頂部，并對(duì)兩種方案分別建立了對(duì)應(yīng)的全池有限元分析模型，考慮溫度作用和地基差異對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。通過對(duì)池壁和底板的彎矩，屋蓋主梁的彎矩、剪切力和軸力進(jìn)行計(jì)算及對(duì)比分析，結(jié)果表明，兩種方案中池壁和底板的彎矩差別不大，而屋蓋主梁的彎矩、剪切力和軸力差別較大，因此方案二更具優(yōu)勢，且閥室頂梁平板橡膠支座的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造更加合理。

沙漠地區(qū)；緩沖水池；聯(lián)體結(jié)構(gòu)；有限元分析；站場

1 工程概況

非洲某站場工程位于撒哈拉沙漠北部，建有6座大型聯(lián)體水池，采用雙池并聯(lián)對(duì)稱布局，每座水池由兩個(gè)單元池和一個(gè)中間閥室組成，結(jié)構(gòu)形式獨(dú)特，水池平面圖和立面圖見圖1。

水池底板臥地，主體位于地上，采用有蓋結(jié)構(gòu)，在池頂檢修通道入口處設(shè)置小屋。單池長×寬×高為24 m×18 m×7.5 m，最高液位5.5 m，最低液位0.3 m，容量2 000 m3。內(nèi)部設(shè)有減淤導(dǎo)流墻，左側(cè)單元池頂部建有飲用水塔一個(gè)。

閥室平面尺寸26 m×11 m，底板相對(duì)水池下凹3 m，室內(nèi)安裝管道、閥門、梁式吊車和檢修平臺(tái)等。

工程現(xiàn)場位于炎熱干燥的撒哈拉沙漠地區(qū)，自然條件惡劣，季節(jié)最大溫差平均35℃，晝夜最大溫差15℃，年最大降雨量僅200 mm。地表覆蓋薄層細(xì)砂，地下是強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化巖石，局部存在密實(shí)粗砂和礫砂，揭露深度100 m以內(nèi)未見地下水。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，將6座水池的地基分為四類，見表1，其中基床系數(shù)取值參見文獻(xiàn)[1]。閥室地基為中風(fēng)化巖。

圖1 水池平面圖和立面圖

表1 水池地基分類

2 結(jié)構(gòu)方案

聯(lián)體水池作為大型水工構(gòu)筑物，其結(jié)構(gòu)形式屬于典型混合結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)包含鋼筋混凝土水池和閥室框架結(jié)構(gòu)兩大體系，通過空間變形協(xié)同和耦合效應(yīng)結(jié)合在一起，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)可以將其視為兩個(gè)空間子系統(tǒng)，分別對(duì)其受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，并著重研究其相互間的影響和作用。主要對(duì)基礎(chǔ)底板、水池側(cè)壁、閥室墻體、池蓋和閥室屋蓋的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。工程結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件截面尺寸及混凝土強(qiáng)度等級(jí)見表2。

表2 主要構(gòu)件截面尺寸及混凝土強(qiáng)度等級(jí)

2.1 底板

根據(jù)工藝管道和設(shè)備安裝要求，閥室和水池底板高差3 m，閥室底部埋地。水池僅底板埋地，埋深0.6 m，底板受溫度作用影響不顯著。因此，將水池與閥室底板連接起來，形成緩沖池整體筏板基礎(chǔ)。閥室出水端墻外凸5 m，來水端墻內(nèi)凹3 m，考慮施工方便，把閥室底板延伸至與水池外側(cè)池壁平齊。

2.2 池壁

由表1可知，單元池底板的地基土層大多為基巖，根據(jù)CECS 138∶2002[2]第7.1.3條，露天環(huán)境下巖基水池最大伸縮縫間距為15 m；與水池尺寸比較可知，單元池短邊可不設(shè)置伸縮縫，長邊應(yīng)設(shè)一道伸縮縫；根據(jù)該規(guī)范第7.1.4條，伸縮縫應(yīng)貫通，但執(zhí)行該規(guī)定的難度較大，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）池體相對(duì)位移引起的管道附加應(yīng)力無法準(zhǔn)確估算，因此與伸縮縫兩側(cè)池體相連的同一管道中必須設(shè)置柔性接頭，需要修改管道設(shè)計(jì)。

（2）由于水池底板埋地且埋深僅0.6 m，周圍土層無法為伸縮縫兩側(cè)池體提供足夠推力。

（3）導(dǎo)流墻、池壁和頂板均要設(shè)縫，總長度約100 m，一旦防水失效容易引起大量滲漏。

因此，采取在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮溫度作用、在施工時(shí)使用混凝土添加劑等減小混凝土收縮的措施，單元池長邊不設(shè)伸縮縫，符合規(guī)范第7.1.3條。

2.3 閥室墻體

氣象報(bào)告顯示，閥室內(nèi)外空氣最大溫差10℃，閥室內(nèi)空氣與池內(nèi)水體最大溫差5℃，因此閥室外墻與池壁之間應(yīng)設(shè)置溫度縫，防止墻體與池壁連接部位開裂；閥室入水和出水端墻的墻根與筏板基礎(chǔ)相連，頂部與屋蓋相連，給墻體提供足夠支撐以增加穩(wěn)定性。

2.4 水池頂蓋

將導(dǎo)流墻頂部與頂蓋相連，僅保留豎直墻端為自由邊。導(dǎo)流墻作為屋頂梁板的支撐，可顯著減小梁板跨度。導(dǎo)流墻將屋面板分隔為等邊雙向板格，頂蓋內(nèi)部由墻體支撐，不單獨(dú)設(shè)柱，節(jié)省了空間。水池頂梁支撐于池壁頂端，梁端池壁在集中力作用下容易開裂，因此在池壁頂部設(shè)置構(gòu)造圈梁，與池壁同寬，圈梁的設(shè)置同時(shí)提高了頂蓋的整體剛度。

2.5 閥室屋蓋

閥室屋蓋為梁板結(jié)構(gòu)，屋蓋主梁支撐有如下方案：方案1為主梁端與池壁固接，閥室屋蓋與池頂蓋連為一體；方案2為主梁鉸支于水池壁頂部，屋蓋與池頂分離；方案3為在閥室內(nèi)建造框架柱，用于支撐屋蓋。

考慮到室內(nèi)立柱會(huì)影響吊車運(yùn)行、管道布置與檢修作業(yè)，不能滿足工藝要求，因此僅研究方案1、2。

3 有限元分析

借助有限元軟件MIDAS/GEN建立整座水池的有限元分析模型，并通過選用合理的荷載與組合、設(shè)定合理的邊界條件來模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，可以計(jì)算得到較為符合實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

3.1 荷載組合

荷載輸入包括恒荷載、活荷載、水壓力和溫度，不考慮地震作用。巖石地層的水平主動(dòng)土壓力數(shù)值很小，為建模方便按照恒荷載輸入。根據(jù)規(guī)范CECS 138∶2002確定24種荷載組合并考慮溫度作用的折減系數(shù)[3-4]。表3列出其中7種主要組合。

根據(jù)規(guī)范CECS 138∶2002計(jì)算得到濕度當(dāng)量溫差為8.5℃，氣象報(bào)告提供的壁面溫差為10℃，因此梯度溫差取10℃；取系統(tǒng)初始溫度為施工期間結(jié)構(gòu)平均溫度25℃；調(diào)查當(dāng)?shù)丶扔兴そY(jié)構(gòu)樣本并實(shí)測結(jié)構(gòu)最高與最低平均溫度，取系統(tǒng)升溫5℃、降溫10℃。溫度荷載見表4。

表3 荷載組合

表4 溫度作用

3.2 方案1

考慮到底板對(duì)池壁的嵌固作用，取最不利情況，令底板與池壁厚度相同。在池壁和導(dǎo)流墻頂部設(shè)置構(gòu)造暗梁，與所連接的屋蓋梁同高。為簡化建模，頂板按照恒載輸入，在有限元模型中不建立幾何板單元，將閥室入水和出水端墻按照恒載輸入。閥室與單元池的頂蓋位于同一標(biāo)高，厚度相同。

采用厚板單元模擬側(cè)壁和底板，網(wǎng)格劃分尺度為1 m。采用梁單元模擬梁柱，釋放次梁兩端轉(zhuǎn)動(dòng)約束，形成鉸接連接?？紤]到基巖對(duì)底板的較強(qiáng)約束，限制底板水平自由度Dx和Dy。根據(jù)文克爾彈性地基假定，用面彈簧支承模擬地基反力。方案1的計(jì)算簡圖和有限元模型見圖2。

圖2 方案1計(jì)算簡圖與有限元模型

3.3 方案2

相比方案1，方案2做出如下調(diào)整：

（1）閥室屋蓋主梁兩端鉸支于池頂，在有限元分析時(shí)使用彈性連接進(jìn)行模擬，實(shí)際工程采用平板橡膠支座實(shí)現(xiàn)。設(shè)置豎向、梁軸縱向和平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)彈簧剛度，取值根據(jù)平板橡膠支座確定。

（2）抬高9號(hào)和10號(hào)主梁，與1～8號(hào)主梁頂位于同一標(biāo)高。

（3）將閥室進(jìn)水和出水端墻與屋蓋連接形成倒U型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)閥室維護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度，在建模時(shí)墻體仍被視作恒荷載輸入。

相比方案1，方案2有利于消除溫度荷載對(duì)主梁的不利影響，因?yàn)榉桨?中閥室屋蓋主梁兩端固支，梁端會(huì)產(chǎn)生較大負(fù)彎矩，梁端圈梁會(huì)產(chǎn)生扭矩，而且溫度荷載施加后主梁必然產(chǎn)生附加軸力。另外，在有限元分析時(shí)，由于溫度荷載的取值與實(shí)際環(huán)境吻合，一旦出現(xiàn)極端溫度作用，方案1的結(jié)構(gòu)安全無法保證。方案2的計(jì)算簡圖和有限元模型見圖3。

圖3 方案2計(jì)算簡圖與有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.1 池壁和底板

池壁和底板彎矩見圖4～5，其中橫軸代表池壁和底板的構(gòu)件編號(hào)，縱軸為每塊池壁水平彎矩Mxx和豎向彎矩Myy絕對(duì)值的最大值。構(gòu)件編號(hào)以左池為例，其最左側(cè)池壁編號(hào)為1，其他池壁按順時(shí)針順序編號(hào)為2～4，左池底板編號(hào)為5；右池采用相同編號(hào)規(guī)則。從圖4可以看出，對(duì)于水平彎矩Mxx，池壁4號(hào)和9號(hào)變化稍大，主要是由于方案2中梁端彈性連接轉(zhuǎn)動(dòng)剛度被賦予一個(gè)極小值，傳遞給池壁的彎矩近似為零；而在方案1中，主梁的梁端彎矩限制池頂轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)池壁屬于有利約束。從圖中也可看出，對(duì)于同一池壁，絕對(duì)最大彎矩的變化量均小于25 kN·m，說明方案改變對(duì)池壁彎矩影響不大。從圖5可以看出，兩種方案的豎向彎矩Myy近似相同，表明閥室屋蓋主梁兩端支撐形式的改變對(duì)整塊池壁水平受彎影響極其微弱。

圖4 池壁和底板水平彎矩Mxx

圖5 池壁和底板豎向彎矩Myy

4.2 閥室屋蓋梁

兩種方案的閥室屋蓋主梁的豎向內(nèi)力對(duì)比見圖6～8，屋蓋主梁水平彎矩較小，在此不作分析。從圖6可以看出屋蓋主梁改由彈性支座支撐后，最大彎矩和剪力有規(guī)律增大，符合由固支到鉸支的變化規(guī)律；從圖7可以看出，兩種方案的剪力除8號(hào)、9號(hào)由于受荷面積發(fā)生了變化差別較大外，其余變化微?。粡膱D8可以看出，方案2鉸支屋蓋主梁軸力基本為零，主要由于鉸支屋蓋主梁的軸力基本不受溫度荷載影響，因此消除了方案1中極限溫度作用時(shí)軸力劇增的風(fēng)險(xiǎn)，方案2結(jié)構(gòu)體系明顯更合理，屋蓋主梁的安全系數(shù)提高很多。

圖6 閥室主梁跨中彎矩對(duì)比

圖7 閥室主梁梁端剪力對(duì)比

圖8 閥室主梁軸力對(duì)比

基床系數(shù)差異代表地基土壤的不均勻程度，隨著基床系數(shù)差異增大，地基不均勻程度提高，此時(shí)需要對(duì)其不利影響進(jìn)行專門研究。在表1列出的四種地基類型中，左右單元池的地基差異由基床系數(shù)的差值來體現(xiàn)。為了研究地基差異對(duì)屋蓋主梁內(nèi)力的影響，對(duì)四種類型進(jìn)行分析并做結(jié)果對(duì)比。從圖9可以看出，在方案1中，閥室屋蓋主梁拉力隨地基差異增加而變大，壓力則逐漸減小，地基土層不均勻程度最大時(shí)的拉力最大；方案2中閥室主梁的軸力趨近于零，不受地基差異影響，而屋蓋主梁的豎向彎矩和剪力主要受屋面豎向荷載影響，地基差異的影響也不顯著。

圖9 地基對(duì)主梁軸力的影響

綜上所述，對(duì)于聯(lián)體結(jié)構(gòu)，溫度作用和地基差異對(duì)連接構(gòu)件的不利影響遠(yuǎn)大于池壁和底板，在分析和設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

5 平板支座構(gòu)造

在實(shí)際工程中，為了實(shí)現(xiàn)方案2有限元模型中閥室屋蓋主梁兩端的彈性連接，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果選擇滿足承載力要求的平板橡膠支座，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖10。

圖10 閥室主梁端節(jié)點(diǎn)

6 結(jié)論

沙漠氣候大型聯(lián)體緩沖水池運(yùn)行環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)獨(dú)特。運(yùn)用本文分析得到如下結(jié)論：

（1）沙漠氣候晝夜溫差和季節(jié)溫差大，應(yīng)合理確定伸縮縫的位置、數(shù)量和構(gòu)造，采用腋角、暗梁和暗柱等構(gòu)造措施，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部剛度與強(qiáng)度。

（2）單元池剛度強(qiáng)于中間連接結(jié)構(gòu)，溫度作用對(duì)連接結(jié)構(gòu)的不利影響遠(yuǎn)大于單元池自身。屋蓋主梁固支導(dǎo)致溫度作用施加后主梁軸力顯著增大，而鉸支主梁由溫度作用引起的附加軸力接近零。

（3）由于地質(zhì)情況良好，差異沉降對(duì)單元池本身和中間連接結(jié)構(gòu)的影響均較小。如果地基不均勻程度很大，需要專門分析差異沉降對(duì)中間連接結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，合理選擇結(jié)構(gòu)方案。

（4）在各種外部荷載中，溫度作用和地基差異沉降是決定聯(lián)體結(jié)構(gòu)選型和局部構(gòu)造的主要因素，應(yīng)該進(jìn)行專門計(jì)算，采取有效措施。

[1]周宏磊，張?jiān)诿?基床系數(shù)的試驗(yàn)方法與取值[J].工程勘察，2004，（2）：11-15.

[2]CECS138∶2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[3]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.Midas Gen工程應(yīng)用指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.89-109.

[4]給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.808-813.

Fin ite El ement Analysis and Design Optimization of L arge Conjoined Reservoir in Desert Region

LiHao，Shen Quanfeng，Zhang Tao，SuiXin
China Petroleum Engineering&Construction Corporation，Beijing 100101，China

The large conjoined reservoir is a complex hydraulic structure in the pumping station of a long distance transmission pipeline project in harsh Sahara desert.It has unique characteristics with symmetrical twin water tanks conjoined by a valve room in between.This paper puts emphasis on analyzing two support patterns of valve room roof beams of the conjoined reservoir，i.e.one is the fixed joint between the main beam end and the reservoir wall，the other is the hinged joint between the main beam end and the reservoir wall top，and builds the finite element models of the whole conjoined reservoir according to the two patterns in consideration of the effects of temperature and foundation on structural forces.The results from calculation and comparative analysis of the bending moments in reservoir wall and bottom as well as the bending moments，shears and axial forces in valve room roof show that the bending moments in reservoir wall and bottom have less difference for the two patterns，but the bending moments，shears and axial forces in valve room roof beams have more difference，therefore，the second pattern is dominant and the structure of elastic laminated rubber bearing at valve room walltop is more reasonable.

desert region；buffer reservoir；conjoined structure；finite element analysis；station

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.010

李昊（1981-），男，河北衡水人，工程師，2007年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事工程勘察設(shè)計(jì)工作。

2014-04-21