淺談Staad.Pro軟件在水池結(jié)構(gòu)計(jì)算中的應(yīng)用

摘? 要：水池作為工業(yè)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類型[1]，其在工業(yè)設(shè)計(jì)中占有重要地位。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了采用計(jì)算軟件Staad. Pro對(duì)某鋼筋混凝土水池建模、加載和后處理過(guò)程，并將數(shù)值模擬結(jié)果與水池規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明采用Staad. Pro計(jì)算軟件所得結(jié)果具有較高的精確度能夠滿足規(guī)范要求其，可為類似結(jié)構(gòu)的建模和數(shù)值分析提供參考。

關(guān)鍵詞：水池Staad.Pro建模;壁板彎矩分析;水池規(guī)范驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TU375? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）03-0000-00

0 引言

在實(shí)際工程中，由于水池深埋地下并用于貯水，故池壁承受較大水壓力、土壓力。設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常采用規(guī)范公式手算或者計(jì)算軟件對(duì)池體進(jìn)行計(jì)算分析，本文筆者結(jié)合工程實(shí)例，采用有限元軟件Staad.Pro對(duì)水池進(jìn)行整體建模計(jì)算分析，并將軟件計(jì)算結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比比較，分析二者差異。另通過(guò)對(duì)多個(gè)帶橫向走道板水池結(jié)構(gòu)模型的池壁頂端最大位移和池壁豎向支座彎矩?cái)?shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證水池規(guī)范中“走道板可作為池壁支承構(gòu)件”理論的正確性。

1 工程概況

如圖1所示，某煉廠地下敞口式雨水監(jiān)控池，池體尺寸：24m×10m×6m，埋深5.8m。設(shè)計(jì)池壁厚0.5m，池底板厚0.6m，底板挑出長(zhǎng)度1.0m，池底板下增設(shè)0.5m厚平衡層，每邊寬出底板0.1m。本場(chǎng)地地下水位埋深為0.10～1.20m，設(shè)計(jì)最高地下水位可按地表考慮。工程場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度7度，地基持力層為③1層粘土，地基承載力特征值140kPa。

2 建模與加載

2.1 建模

如圖2所示，水池空間模型的建立：選擇板單元構(gòu)建水池整體模型后，采用四邊形網(wǎng)格，對(duì)板單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，大小為0.5m。定義截面厚度：創(chuàng)建0.5m、0.6m板單元，設(shè)定板單元材料為混凝土。指定池壁板單元截面厚度0.5m，池底板單元截面厚度0.6m。建立支座約束條件：在支座創(chuàng)建命令里選擇基礎(chǔ)—板筏基礎(chǔ)—方向Y—無(wú)。其中，地基壓縮模量即地基基床反力系數(shù)，從《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T3132-2013根據(jù)土的類型查出K取值范圍2.0～4.0x104 kN/m3。本例持力層為可塑粘性土，基床系數(shù)取20000kN/m3[2]。選定池底板單元，添加基礎(chǔ)支座約束。

2.2 荷載施加

水池內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值按設(shè)計(jì)水位的靜水壓力計(jì)算，本例取水的重力密度10kN/m3，同時(shí)考慮池內(nèi)最不利水位進(jìn)行計(jì)算。土壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算：位于地下水位以上的部分可按朗肯公式計(jì)算主動(dòng)土壓力，土的重力密度取18kN/m3;對(duì)于地下水位以下部分的側(cè)壓力應(yīng)為土的側(cè)向土壓力和地下水的靜壓力之和，此時(shí)土的重力密度應(yīng)取有效重力密度。地下水對(duì)水池作用力標(biāo)準(zhǔn)值取值，地下水的設(shè)計(jì)水位按照勘察部分提供的數(shù)據(jù)確定可能出現(xiàn)的最低水位和最高水位，本例最高水位按池壁頂端計(jì)算。

本例為地下式敞口池，抗震設(shè)防烈度7度，故只需考慮池壁和底板受力，地震荷載、風(fēng)荷載、溫度、濕度引起的間接荷載不需考慮[3]。池壁受力主要為池內(nèi)水壓力和池外水土壓力。池底板受力主要為池內(nèi)水自重、池體自重、池底水浮力和底板頂面以上挑出部分水土壓力。因本例設(shè)有平衡層，考慮到池體自重、平衡層與底板上作用荷載的相互抵消作用，故建模加載荷載時(shí)可以不添加該類荷載。

荷載工況一般有蓄水試驗(yàn)、空池和正常操作三種工況。圖3所示，蓄水試驗(yàn)工況為自重和池內(nèi)滿水組合;圖4所示，空池工況為自重與池外水土壓力組合;正常操作工況為自重、池內(nèi)滿水和池外水土壓力組合。正常操作工況時(shí)，池內(nèi)滿水對(duì)壁板的作用力方向與池外水土作用對(duì)池壁的作用力方向相反，有抵消效果，故相比而言，最不利工況出現(xiàn)在蓄水試驗(yàn)或空池工況，故本例簡(jiǎn)化，只計(jì)算蓄水試驗(yàn)和空池工況。池內(nèi)水和池外水土壓力采用板單元靜水壓力荷載加載，選取受力板單元，沿總體坐標(biāo)系Y軸線性插值。

3 壁板彎矩分析

在主菜單里選命令—分析—線性分析，然后選分析—運(yùn)行分析。運(yùn)行完畢后，在后處理板單元查詢處理結(jié)果。選板單元-等值線，出現(xiàn)選擇對(duì)話框。在對(duì)話框中，選擇需要分析的工況，在應(yīng)力類型選全局坐標(biāo)彎矩，然后通過(guò)選擇全局坐標(biāo)結(jié)果方向得到相應(yīng)的彎矩圖形。由壁板彎矩分析結(jié)果可得出在蓄水試驗(yàn)和空池工況下板單元上彎矩值變化趨勢(shì)。長(zhǎng)壁板和短壁板水平向彎矩極大值出現(xiàn)在水平支座處，長(zhǎng)壁板的豎向彎矩極大值出現(xiàn)在豎直支座處，而短壁板的豎向彎矩極大值出現(xiàn)在壁板豎向跨中偏下位置（為便于列表，表格中的短向壁板豎向彎矩極大值仍寫(xiě)為豎向支座彎矩）。將兩種工況下極值選出如表1所示，對(duì)比數(shù)據(jù)可知，空池工況為最不利工況。

4 Staad.Pro結(jié)果與規(guī)范結(jié)果對(duì)比

4.1 壁板彎矩對(duì)比

按石油化工鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)規(guī)范SH/T 3132-2013計(jì)算壁板。敞口矩形水池的壁板與底板連接視為固端連接，池壁板按三邊支承，頂端自由計(jì)算。在側(cè)向荷載作用下，當(dāng)L/H<0.5時(shí)，H>2L部分按水平向單向計(jì)算，底部H=2L部分按雙向計(jì)算，H=2L處可視為自由端;0.5≤L/H≤3，按雙向計(jì)算;L/H>3時(shí)，按豎向單向計(jì)算。其中L為壁板的計(jì)算長(zhǎng)度，H為壁板的計(jì)算高度。計(jì)算結(jié)果與空池工況結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2：

從表2數(shù)據(jù)可知，對(duì)長(zhǎng)向壁板彎矩極大值，規(guī)范計(jì)算結(jié)果比Staad.Pro計(jì)算結(jié)果大;水平支座彎矩規(guī)范計(jì)算結(jié)果比Staad.Pro計(jì)算結(jié)果大1%，豎向支座彎矩規(guī)范計(jì)算結(jié)果比Staad.Pro計(jì)算結(jié)果大20%。對(duì)短向壁板彎矩極大值，豎向支座彎矩，規(guī)范計(jì)算結(jié)果比Staad.Pro計(jì)算結(jié)果大62%，而對(duì)于短向壁板彎矩水平支座方向，規(guī)范計(jì)算結(jié)果卻比Staad.Pro計(jì)算結(jié)果小120%。原因在于：Staad.Pro算法是整體建模計(jì)算，壁板按固端連接考慮，所以計(jì)算結(jié)果長(zhǎng)向壁板與短向壁板水平支座彎矩相差不大。而依據(jù)規(guī)范計(jì)算，是將壁板分為單雙向受力按單塊矩形板考慮，假定三邊支承上端自由來(lái)得出的結(jié)果，故水平支座彎矩值不一致。

4.2 壁板支承系統(tǒng)構(gòu)造驗(yàn)證

當(dāng)池壁頂端走道板厚度不小于200mm，寬厚比不大于5時(shí)，其橫向水平支承構(gòu)件（板或梁）的間距與池壁計(jì)算高度比值小于2，且走道板滿足橫向受力要求，走道板可作為池壁的支承構(gòu)件。在滿足構(gòu)造要求的情況下，按下列條件取為彈性固定支承或不動(dòng)鉸支承：

（1）在滿足構(gòu)造要求的情況下，走道板可作為池壁頂端的彈性固定支承，該彈性固定支承的反力系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：走道板水平向計(jì)算跨度（L）與池壁計(jì)算高度（H0）的比值;池壁計(jì)算寬度，可取b=1m;走道板橫截面慣性矩（IL）與池壁截面慣性矩（IH）的比值。

（2）在滿足構(gòu)造要求的情況下，當(dāng)符合下式要求時(shí)，走道板可視為池壁頂端的不動(dòng)鉸支承：

走道板寬度d取1.0m，走道板厚度t取0.4m，池壁板厚度h取0.5m，H0=6m。走道板作為池壁支承構(gòu)件簡(jiǎn)圖5所示：

在原模型基礎(chǔ)上沿長(zhǎng)向池壁單側(cè)增加走道板，按橫向單水平走道板、橫向雙水平走道板、橫向三水平走道板、橫向四水平走道板等建立模型，橫向走道板均分長(zhǎng)向池壁，走道板詳圖如圖6-圖10所示。在原模型基礎(chǔ)上建帶頂蓋板的池體模型，頂蓋板厚度相同，帶頂蓋板模型如圖11所示。通過(guò)軟件計(jì)算各模型在空池工況下，走道板一側(cè)池壁頂端節(jié)點(diǎn)的最大位移值和最大位移出現(xiàn)處寬度0.5m壁板與底板交接處豎向支座彎矩值變化，具體數(shù)值及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

由表3和圖12可知：僅沿長(zhǎng)向池壁加走道板，無(wú)橫向走道板時(shí)，αT 為0.21，基本無(wú)支承效果;隨著橫向走道板數(shù)量的增加，計(jì)算跨度L逐漸減小，αT 數(shù)值逐漸接近1，池壁頂端節(jié)點(diǎn)位移最大值也逐漸減小，豎向支座彎矩值逐漸減小，由此可驗(yàn)證走道板可作為池壁的支承構(gòu)件。當(dāng)ng≥0.25m4 H0/b 時(shí)，即三橫走道板模型及橫走道板數(shù)多于三的池體模型，池壁頂端節(jié)點(diǎn)位移最大值為0.35mm;而且此時(shí)豎向支座彎矩113.21與池頂帶蓋板時(shí)彎矩值104.55相比，差值較小，故此種情況下，走道板可近似視為池壁頂端的不動(dòng)鉸支座。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了Staad.Pro在水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建模、加載和后處理過(guò)程。將Staad.Pro軟件壁板計(jì)算結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得出三維設(shè)計(jì)結(jié)果更接近實(shí)際，為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化方案、節(jié)省投資，提供參考方法。此外，采用Staad.Pro軟件建立帶橫向走道板池體模型，驗(yàn)證規(guī)范中走道板可以作為池壁支承構(gòu)件的理論，以及當(dāng)ng≥0.25m4 H0/b 時(shí)，走道板可視為池壁頂端不動(dòng)鉸支座結(jié)論的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 周世光.STAAD.Pro在池類結(jié)構(gòu)建模中的應(yīng)用[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì)，2009（5）：53-56.

[2] 顧曉魯，錢鴻縉，劉惠珊，等.地基與基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[3] SH/T 3132-2013.石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

收稿日期：2020-02-24

作者簡(jiǎn)介：陳耀輝（1986—），男，河南夏邑人，碩士，工程師，研究方向：煉油化工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。