基于ANSYS的某黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土沉淀池設(shè)計優(yōu)化研究

王學(xué)勇

(天水市水務(wù)局，甘肅 天水 741000)

水處理是目前解決水資源短缺的一種重要手段，解決水處理問題是許多水利工程師面臨的重要挑戰(zhàn)，沉淀池作為重要污水處理工具被許多城市廣泛使用，為解決污水沉淀問題發(fā)揮了重要作用，沉淀池設(shè)計必須要考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全運(yùn)營[1- 2]。國內(nèi)外目前已有諸多學(xué)者或工程師通過研究沉淀池原材料，提升原材料性能，來打造最安全最可靠最優(yōu)化的沉淀池結(jié)構(gòu)。原材料從鋼結(jié)構(gòu)到混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)預(yù)應(yīng)力技術(shù)在水工建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域被使用，預(yù)應(yīng)力混凝土亦被廣泛應(yīng)用[3- 6]?；谟邢拊獢?shù)值軟件，解決結(jié)構(gòu)中應(yīng)力值求解[7- 9]，優(yōu)化預(yù)應(yīng)力混凝土施工方案，提升沉淀池結(jié)構(gòu)設(shè)計安全運(yùn)營效率，這是目前提升沉淀池污水處理效率的重要工程措施。

1 工程概況

某沉淀池工程位于西北某地區(qū)，為當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)用水的沉淀過濾提供保障，設(shè)計使用年限50a，外形為空心圓柱設(shè)計，其中尺寸設(shè)計為內(nèi)徑65m，外徑65.5m，高出地面標(biāo)高32.5m，設(shè)計采用黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑施工，沉淀池底部鋪設(shè)有0.3m厚的防滲墊層，材料為止水薄膜，剖面如圖1所示。本工程中沉淀池建筑物為Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)施工設(shè)計，在基礎(chǔ)施工時添加抗震支座，場地周期穩(wěn)定在0.38s。前期工程地質(zhì)勘察表明，施工場地屬于河流沖積平原，上覆土層為第四系堆積形成，包括有粉土、砂土及部分砂礫石，其中粉土層厚度最厚處約5m，在建筑物南側(cè)地區(qū)土層較薄，砂土層與砂礫石混雜，厚度約為2～5m，基巖位于河床以下18m，中粗顆粒結(jié)構(gòu)的灰?guī)r，局部夾有破碎帶，存在黏土質(zhì)膠結(jié)。根據(jù)現(xiàn)場原位試驗得知，土層液化不明顯，地基標(biāo)準(zhǔn)承載力為185kPa。由于場地承載力及部分黏土層沉降過大，影響沉淀池穩(wěn)定性，故需對地基人工處理，采用填土換層形式，將沉淀池地坪標(biāo)高以下3m范圍內(nèi)土層以砂礫石作為主要承載土層，并夯實處理；另一方面，基巖層以上4m范圍內(nèi)以人工回填雜土作為主要土層，保證承載力特征超過150MPa。

為了保證沉淀池上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土作為原材料，在距施工現(xiàn)場3km處的攪拌站制作后，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場。沉淀池壁設(shè)計8個錨固彎鉤，每個彎鉤弧度為4°，寬度設(shè)計0.4m。預(yù)應(yīng)力池壁直接與沉淀池基礎(chǔ)接觸面設(shè)計0.02m厚止水墊片，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)墻高度為2.5m，墊層為C20素混凝土，厚度0.1m。沉淀池壁設(shè)計立面圖如圖2所示。

圖1 沉淀池結(jié)構(gòu)剖面(標(biāo)高單位：m，長度單位：mm)

圖2 沉淀池結(jié)構(gòu)立面圖(標(biāo)高單位：m，長度單位：mm)

2 有限元模型建立與設(shè)計參數(shù)

本文有限元模擬分析利用ANSYS數(shù)值軟件，其中混凝土材料等利用SOLID45單元體，以Link系統(tǒng)作為黏結(jié)混凝土連接線，以耦合技術(shù)連接預(yù)應(yīng)力混凝土與基礎(chǔ)地面等其他結(jié)構(gòu)部分，按照實際工程資料顯示巖土層建立上覆邊界荷載及約束力。建成模型后共劃分出148658個微單元體，節(jié)點(diǎn)數(shù)134827個，其中黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土池壁占比21%，土體結(jié)構(gòu)占比63.4%，數(shù)值模型建成后如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型

依據(jù)材料力學(xué)理論可知，預(yù)應(yīng)力混凝土受拉伸應(yīng)力時應(yīng)保證內(nèi)部裂縫不產(chǎn)生二次裂隙，即不發(fā)生裂紋的延伸或擴(kuò)展。預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)力應(yīng)變變化曲線如圖4所示。

圖4 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

混凝土拉伸荷載下本構(gòu)方程為：

σ=(1-ht)Eε

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，αt—下降段線性參數(shù)；ft，x—抗拉強(qiáng)度；εt，x—峰值拉伸應(yīng)變；ht—損傷變量系數(shù)。

同理，壓縮荷載下本構(gòu)方程為：

σ=(1-hc)E′ε

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，αc—壓縮曲線下降段線性參數(shù)；ft，x—抗壓強(qiáng)度；εt，x—峰值壓縮應(yīng)變；hc—壓縮損傷變量系數(shù)。

另一方面由于是黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，故需考慮黏結(jié)鉸鏈線(鋼筋)應(yīng)力變形特性，其中黏結(jié)鉸鏈線(鋼筋)本構(gòu)方程為：

(10)

式中，Ee—彈性模量；ε′—應(yīng)變值；fn，ε—屈服強(qiáng)度；εn、εm—屈服應(yīng)變與起裂應(yīng)變；k—屈服段斜率。

黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土模型中不可避免需要考慮每部分結(jié)構(gòu)孔洞偏差系數(shù)(Z)與流動摩擦系數(shù)(U)，國內(nèi)外諸多學(xué)者或工程師已專注研究了此2類參數(shù)對預(yù)應(yīng)力混凝土性能影響，并獲得了不同固化時間或不同系數(shù)取值對預(yù)應(yīng)力張拉特性影響規(guī)律[10]?？锥雌钕禂?shù)(Z)與流動摩擦系數(shù)(U)分別與張拉時間段關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5中可知，孔洞偏差系數(shù)(Z)隨張拉時間拉長而持續(xù)增大，在張拉時間點(diǎn)75～90d時，增幅超過1個量級；流動摩擦系數(shù)(U)隨張拉時間點(diǎn)亦在第75d時發(fā)生典型突變，前期流動摩擦系數(shù)或不變或減小，在第75d之后，爬升式增長。

圖5 孔洞偏差系數(shù)與流動摩擦系數(shù)與張拉時間關(guān)系

預(yù)應(yīng)力混凝土在數(shù)值軟件中施加預(yù)應(yīng)力時處于理想狀態(tài)下，而在實際建設(shè)沉淀池過程中，不可避免會造成一部分預(yù)應(yīng)力損耗，因而需要考慮預(yù)應(yīng)力損耗。根據(jù)本工程實際資料，考慮3部分預(yù)應(yīng)力損耗，一部分為摩擦損耗，即

σλ2=σc(1-exp(x+μθ))

(11)

式中，x—計算截面與張拉間距；θ—張拉面與半徑切線之間夾角。

一部分為鋼絞線松弛應(yīng)力損耗，即

(12)

另一部分為混凝土自身收縮裂隙消耗的預(yù)應(yīng)力，以下式作為計算方法：

(13)

(14)

式中，σn′、σm′—拉應(yīng)力、壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)法向應(yīng)力；fr、fr′—拉應(yīng)力、壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)抗壓強(qiáng)度；ρ、ρ′—拉應(yīng)力、壓應(yīng)力區(qū)域內(nèi)配筋率。

混凝土養(yǎng)護(hù)形成與溫度息息相關(guān)，而本工程又處于西北氣候干燥地區(qū)，需要考慮溫度對預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)力特性影響，故而需施加溫度荷載，沉淀池壁溫差按照下式計算[11]：

(15)

式中，Δd—溫差；d—厚度；λ、β—空氣、混凝土傳熱系數(shù)；Tx、T0—計算溫度與空氣實測溫度。

3 混凝土沉淀池設(shè)計優(yōu)化分析

3.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉施工工序優(yōu)化

沉淀池作為對滲漏密閉性要求較高的水利建筑物，在施工過程中需要考慮張拉應(yīng)力對混凝土裂縫影響，因而設(shè)計最合理科學(xué)的施工工序?qū)⒂兄谔嵘恋沓毓こ藤|(zhì)量。本文提供了2種預(yù)應(yīng)力張拉施工方案，第一種沿著沉淀池壁逐步往下，依次張拉完成所有預(yù)應(yīng)力鋼筋；第二種由沉淀池壁底部至頂部，依次張拉完成預(yù)應(yīng)力鋼筋。

圖6 沉淀池內(nèi)外壁環(huán)向應(yīng)力曲線(從頂部至底部)

2種張拉方案沉淀池內(nèi)外壁應(yīng)力變化曲線如圖6—7所示。從圖6—7中可看出，當(dāng)從上至下逐步張拉時，沉淀池壁內(nèi)外表面均逐步形成壓應(yīng)力，并隨著張拉圈數(shù)增大，預(yù)應(yīng)力亦逐步增大，在沉淀池底部，即高度0.0m時，張拉圈數(shù)為第5圈的沉淀池內(nèi)壁應(yīng)力相比第3圈增長了50%。另一種張拉方案各組張拉應(yīng)力變化曲線與前一方案類似，但從底部延伸至頂部張拉方案中在沉淀池內(nèi)壁底部處壓應(yīng)力達(dá)到0.2MPa，相比從頂部至底部張拉方案要高0.1MPa左右，分析出現(xiàn)此種現(xiàn)象主要是由于自底部張拉至頂部，為了減少與應(yīng)力損耗，不可避免需要在張拉開始處增大一定的壓應(yīng)力儲備。由此表明，從底部延伸至頂部，會導(dǎo)致沉淀池壁局部區(qū)域預(yù)應(yīng)力損耗嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)上下應(yīng)力不均衡，出現(xiàn)局部彎曲變形，因而選擇從頂部延伸至底部，依次張拉施工方案更為合理科學(xué)。

3.2 沉淀池應(yīng)力特征分析

自頂部至底部張拉施工方案下沉淀池壁環(huán)向應(yīng)力特征變化如圖8所示。從圖8中可知，總體態(tài)勢上沉淀池內(nèi)外壁環(huán)向應(yīng)力均隨高度增大而逐漸減小，壓應(yīng)力范圍在1.67～1.87MPa，局部區(qū)段出現(xiàn)一定突變現(xiàn)象，例如在高度1.75～2m范圍內(nèi)，沉淀池內(nèi)表面環(huán)向應(yīng)力增幅超過6%，分析是由于在該區(qū)段處設(shè)置有蓄水槽，導(dǎo)致局部抗彎截面矩過大，環(huán)向應(yīng)力分布出現(xiàn)增大現(xiàn)象。沉淀池壁斷面上豎向應(yīng)力變化表明，在內(nèi)壁表面出現(xiàn)有拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力表現(xiàn)先增大后減小趨勢，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在高度0.5m處，最大拉應(yīng)力為0.69MPa，而且在沉淀池內(nèi)壁底部處初始拉應(yīng)力即達(dá)到0.1MPa，后逐步增大至峰值拉應(yīng)力。沉淀池壁外表面高度方向應(yīng)力與內(nèi)壁表面相反態(tài)勢，先從拉應(yīng)力逐漸減小至壓應(yīng)力，壓應(yīng)力隨之增大至峰值壓應(yīng)力，達(dá)0.9MPa，亦位于高度0.5m處，后隨沉淀池高度逐漸減小，直至沉淀池頂部，至0MPa。

沉淀池壁表面徑向應(yīng)力分布云圖如圖9所示。

圖7 沉淀池內(nèi)外壁環(huán)向應(yīng)力曲線(從底部至頂部)

圖8 沉淀池壁應(yīng)力特征變化

圖9 沉淀池壁表面徑向應(yīng)力分布

從圖9中可看出，徑向方向上不僅僅存在壓應(yīng)力，在蓄水池上下端出現(xiàn)拉應(yīng)力，但最大拉應(yīng)力僅有6kPa，存在于沉淀池外蓄水池區(qū)域處。池壁斷面上整體均處于0.0016MPa的應(yīng)力分布，量值較低，且整體變動幅度不超過0.1MPa。根據(jù)規(guī)范要求[12- 13]，黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土張拉時需滿足最大拉應(yīng)力低于4.6MPa，而計算獲得不論是內(nèi)外壁環(huán)向應(yīng)力，亦或是徑向最大拉應(yīng)力，均滿足設(shè)計要求，自頂部延伸至底部張拉施工方案并不會引起混凝土裂縫二次延伸擴(kuò)展，而影響沉淀池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.3 考慮溫度影響設(shè)計優(yōu)化

為了考慮溫度對黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土沉淀池影響[14- 15]，本文取冬季-20℃、夏季30℃及不受溫度影響的原結(jié)構(gòu)開展對比分析，獲得3種不同工況下的沉淀池內(nèi)外表面環(huán)向應(yīng)力與豎向應(yīng)力變化曲線。沉淀池壁內(nèi)外表面原設(shè)計結(jié)構(gòu)整體上環(huán)向應(yīng)力均是隨高程逐漸增大態(tài)勢，但考慮溫度影響后，不僅僅應(yīng)力分布從壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，且應(yīng)力變化態(tài)勢也發(fā)生逆轉(zhuǎn)性變化，拉應(yīng)力隨高程增大先增大后減小，且夏季溫度高，拉應(yīng)力值大，在同為高程2m處，沉淀池外表面考慮夏季溫度影響的應(yīng)力值比考慮冬季溫度高18.4%。對比沉淀池壁內(nèi)外表面環(huán)向應(yīng)力可發(fā)現(xiàn)，考慮夏季或冬季溫度影響的應(yīng)力變化曲線在同一表面內(nèi)(內(nèi)表面或外表面)，其應(yīng)力值變化曲線趨于一致，同時內(nèi)外表面在高度0.5m處分別出現(xiàn)各自的最低、最高拉應(yīng)力值，內(nèi)表面考慮夏季溫度影響的最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在高度2m處，達(dá)0.45MPa，而外表面同等工況下最大拉應(yīng)力值為0.58MPa，平均拉應(yīng)力內(nèi)表面量值比外表面量值大，如圖10所示。

從豎向應(yīng)力變化曲線來看，考慮溫度影響的應(yīng)力變化趨勢一致，且相比原設(shè)計結(jié)構(gòu)均有顯著差異，考慮冬季溫度影響沉淀池壁內(nèi)表面最大壓應(yīng)力為0.88MPa，位于高度0.75m處，考慮夏季溫度影響工況下最大壓應(yīng)力亦達(dá)到0.88MPa，位于高度0.5m處，但原設(shè)計結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為0.68MPa，位于高度0.5m處，另外沉淀池壁內(nèi)表面原設(shè)計結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力區(qū)間段顯著比其他2個考慮溫度影響要多，原設(shè)計結(jié)構(gòu)內(nèi)表面拉應(yīng)力最大為0.58MPa，拉應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在高度1.6～3.5m段內(nèi)，而另外2個考慮溫度影響的僅僅在高度2m后出現(xiàn)僅為0.1MPa拉應(yīng)力變化幅度。沉淀池外表面考慮溫度影響2個工況下拉、壓應(yīng)力分布與池壁內(nèi)表面呈相反變化，外表面2個溫度影響工況下分布以拉應(yīng)力區(qū)間段為主，壓應(yīng)力分布變化幅度較小，僅有0.005MPa變化，而原設(shè)計結(jié)構(gòu)相比溫度工況下，變化幅度較明顯，其最大壓應(yīng)力達(dá)到0.7MPa，且規(guī)律趨勢性較無序，如圖11所示。由此可見，從沉淀池壁環(huán)向應(yīng)力與豎向應(yīng)力考慮溫度影響應(yīng)力工況可知，沉淀池結(jié)構(gòu)必須設(shè)計一定的隔熱材料或保溫材料，減弱外界溫度對沉淀池壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響。

4 結(jié)論

(1)獲得了預(yù)應(yīng)力混凝土沉淀池預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉施工順序最優(yōu)工序，從頂部延伸至底部，依次張拉，可減少預(yù)應(yīng)力損耗，減弱局部混凝土彎曲變形。

(2)獲得了沉淀池壁內(nèi)外表面環(huán)向應(yīng)力均隨高度增大而逐漸減小，壓應(yīng)力為1.67～1.87MPa；池壁內(nèi)、外表面豎向應(yīng)力中均分布有拉應(yīng)力，內(nèi)表面以高度0.5m為分界線，先增大后減小，最大拉應(yīng)力達(dá)0.69MPa；池壁表面徑向應(yīng)力存在拉應(yīng)力，但最大拉應(yīng)力僅為0.006MPa。

(3)研究了溫度影響下沉淀池壁內(nèi)表面應(yīng)力變化特征，溫度會造成拉、壓應(yīng)力分布及量值出現(xiàn)顯著差異，夏季溫度下應(yīng)力值顯著上升；建議應(yīng)設(shè)置隔熱層或保溫層，減弱外界溫度對沉淀池壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響。

圖10 沉淀池考慮溫度影響環(huán)向應(yīng)力變化

圖11 沉淀池考慮溫度影響豎向應(yīng)力變化