專利名稱：大型柱形消化池靜動力分析方法
技術領域：
本發(fā)明屬于結構工程領域，特別涉及一種高可靠性的消化池靜力及動力分析方法。

背景技術：
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活質量的提高，工業(yè)、生活用水與實際供水能力之間的矛盾日益尖銳，為了達到節(jié)能減排，環(huán)境工程已越來越受到人們的重視。由于工業(yè)迅速發(fā)展，城鎮(zhèn)人口激增，污染源增多，而對城市的基礎設施建設，尤其是市政工程方面的建設投入不足，環(huán)保措施不到位，大量的工業(yè)廢水及生活用水直接排入市區(qū)河道，造成居民生活環(huán)境的嚴重污染。保護城市環(huán)境，改善生活質量，促進經(jīng)濟發(fā)展，污水處理迫在眉睫，勢在必行。污水處理工程不僅可變廢為寶，而且是城市環(huán)境質量的一種標志和文明的象征。世界上許多發(fā)達國家已將其作為資源利用的手段之一，并致力于其研究和應用，城市的污水處理系統(tǒng)變得越來越重要。在污水處理過程中，產(chǎn)生大量的污泥，污泥很不穩(wěn)定，需要及時處理，以達到資源綜合利用、保護環(huán)境的目的。污泥處置的費用很高，約占污水處理廠運行費用的20％～50％，而消化池是污泥處置工藝中的主要構筑物。
污泥消化池是采用活性污泥法的大型污水處理廠工藝流程中的主體構筑物之一。消化池基本上由集氣罩、池蓋、池體、下錐體四部分組成，并附設攪拌及加溫設備。消化池容量大，內(nèi)氣壓較高，建后常年滿水，水位高達10m以上，大型消化池水位甚至高達30m以上。另外，消化池一般要求保持33～35℃的中溫，且消化過程中產(chǎn)生沼氣，有一定內(nèi)氣壓，所以要求池體結構密閉，不滲水、不漏氣，池壁絕對不允許出現(xiàn)裂縫，池外要求做保溫。因此，消化池具有體型高、重量大、構造和承載復雜、施工周期長、造價占投資比重高的特點。
在給排水構筑物中，柱形消化池應用最多，該類消化池結構較簡單，施工比較方便，最初在污水處理系統(tǒng)中備受青睞，該類消化池主要建在英國、美國，也叫撒克遜型消化池，如圖1-1所示。其次是以柱形池壁為主體，上下部分均有錐體組合而成的消化池，主要建在歐洲大陸，稱為大陸型消化池，如圖1-2所示。這些柱形結構物都是有一個或幾個旋轉殼體與圓環(huán)梁及圓板組合起來的，這些旋轉殼體組合結構，能夠充分發(fā)揮殼體受力性能好、剛度大、節(jié)省材料的特點，由于殼體大部分是以軸向受力為主，故能充分發(fā)揮全部材料的效能，它能做成較薄的厚度，而且能覆蓋較大的面積。
為敘述簡便起見，以下我們把上述撒克遜型和大陸型兩種消化池統(tǒng)稱柱形消化池。如圖1-1和圖1-2所示。
國內(nèi)柱形消化池設計的發(fā)展史，先后出現(xiàn)的是采用非預應力結構的柱形消化池，采用預應力繞絲結構的柱形消化池，發(fā)展到現(xiàn)在的、采用無粘結預應力技術柱形消化池。
消化池的設計與計算主要采用以經(jīng)驗設計為主、以簡單的理論驗證為輔的手段，這對工程設計人員的設計能力要求較高。設計人員大多憑借工程經(jīng)驗，在建立計算模型時，略去次要因素，比如小洞口的影響、結構上附屬物的影響、相似單元類型的模擬、將邊界條件簡單的區(qū)分為鉸支或剛接，然后取最大值等等，這些簡化導致了較為保守的計算結果，往往是安全系數(shù)偏高，各種材料用量偏多，造成一些不必要的浪費。
目前對于一般的水池結構，設計中常用兩種方法一是根據(jù)工程實際，簡化計算模型，將圓柱殼、圓錐殼、球殼、圓板在各種荷載工況作用下的情況編制內(nèi)力系數(shù)表，對于簡單的水池結構，如柱形水池，圓錐形水池等，先通過查表，然后再通過手工計算就可以得到池壁各高度處的內(nèi)力。在對簡單模型進行公式推導方面，國內(nèi)外研究人員具備了豐富的經(jīng)驗，并且能夠保證工程實踐所需要的計算精度。而對于柱形消化池，具有體型高、重量大、構造及受力情況復雜的特點。同時，柱形消化池屬于特種結構的范疇，它既不同于建筑結構，也有別于水工結構，為其設計提出了較高要求。對柱形消化池結構的研究和分析越來越受到關注。由于結構比較復雜使公式的推導非常繁瑣，至今沒有現(xiàn)成的計算公式和表格可供應用，只能將整體拆分為環(huán)梁、錐殼、卵殼、塊體等各個部分，分別考慮各個部分的邊界條件，并計算各自的內(nèi)力，然后再根據(jù)剛度條件進行內(nèi)力組合，這給手工計算帶來很大的麻煩，而且容易出錯。二是利用大型計算分析軟件，根據(jù)實際的結構形式和邊界條件，建立符合實際情況的數(shù)學模型，通過計算機來計算。這種方法要求設計者有良好的數(shù)學和有限元功底，尤其在處理邊界條件時，對設計人員的要求較高，這種方法也是計算消化池時首先要考慮的方法。
消化池是污水處理廠的關鍵構筑物，具有體型高、重量大、構造及受力情況復雜的特點。同時，水池結構(包括柱形消化池)屬于特種結構的范疇，它既不同于建筑結構，也有別于水工結構，為其設計提出了較高要求。近年來，對消化池結構的研究和分析越來越受到關注。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明中所稱大型柱形消化池是指池容為5000～15000m3的柱形消化池，本發(fā)明大型柱形消化池靜動力分析方法解決了大型柱形消化池預應力荷載的等效轉化克服了現(xiàn)有技術中由于其等效轉化方法不能量化，因此，不能正確地指導消化池的設計，給消化池的日后正常使用帶來了諸多不確定因素，諸如不能給出與實際情況相符的、預應力產(chǎn)生的恒荷載作用，也就不能準確得出消化池豎向彎矩值，導致池壁容易產(chǎn)生開裂。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明大型柱形消化池靜動力分析方法予以實現(xiàn)的技術方案是，包括以下步驟確定消化池的結構參數(shù)、材料參數(shù)及地質參數(shù)；定義消化池的載荷及取值范圍；基于ANSYS系統(tǒng)中的板殼單元和三維塊體單元建立并計算該消化池的簡化模型；對上述大型柱形消化池的簡化模型進行靜力分析確定消化池載荷的組合情況；確定荷載工況；預應力荷載的等效轉化，將環(huán)向預應力鋼筋的內(nèi)力轉化成等效外荷載； 即取內(nèi)徑與外徑之比接近1的薄壁旋轉筒，外側作用有均布壓力p； 取高度為dz的圓臺，該段曲面薄壁筒可以近似視為圓臺側面受均布力作用，尺寸為平均半徑R、厚度t，外壁與水平面夾角為α，圓環(huán)的角度從β1到β2； 薄壁圓筒在外側均布壓力p的作用下，在圓周方向產(chǎn)生環(huán)向應力σθ，半徑方向產(chǎn)生徑向應力σr； 徑向應力從池壁外側的-p變?yōu)槌乇趦?nèi)側的0，在壁厚非常薄的情況下，σr與σθ比較起來非常小，故，σr常常忽略不計，且假定σθ在截面內(nèi)均勻分布，則，高度方向截面上的集中力T為σθ與截面面積的乘積； 設消化池簡化模型的y坐標軸為扇形圓環(huán)的對稱軸，取一微段dβ，則作用于dβ段上的力為 dP＝pRlcos(α)dβ (3) 作用于β1-β2扇形圓環(huán)上的力為 考慮到圓環(huán)上y方向的受力平衡，且β2＝180-β1，則 公式(5)簡化為 2pRlcos(α)cos(β1)＝2Tcos(β1) (6) 即pRlcos(α)＝T 其中T—長度l范圍內(nèi)所有預應力鋼筋的環(huán)拉力(N/m2) 這里，T＝Ay·(σcon-∑σli) 其中Ay—長度l范圍內(nèi)所有預應力鋼筋的截面面積(mm2) σcon—預應力鋼筋的張拉控制應力(N/mm2) ∑σli—預應力鋼筋總的預應力損失(N/mm2) 預應力鋼筋的等效壓力 R——l范圍內(nèi)池體環(huán)向水平半徑，取平均值(m)； α——殼體法向與水平面的夾角。
通過以上計算，環(huán)向預應力鋼筋的內(nèi)力轉化成等效外荷載；進行柱形消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力分析；進行柱形消化池在設計值作用下的受力分析；輸入地震波，采用三維整體建模的方法對上述大型柱形消化池的簡化模型進行動力分析，從而得出大型柱形消化池的動力特性。
本發(fā)明大型柱形消化池靜動力分析方法中，所得出的大型柱形消化池的動力特性是所述大型柱形消化池在空池和滿池兩種狀態(tài)下的振型和頻率，其前十階振型如下振型1是0度、120度和240度方向池壁膨脹收縮；振型2是30度、150度和270度方向池壁膨脹收縮；振型3是左右擺動；振型4是前后擺動；振型5是30度、120度、210度和300度方向池壁膨脹收縮；振型6是45度、135度、225度和315度方向池壁膨脹收縮；振型7是45度和225度方向池壁膨脹收縮；振型8是90度和270度方向池壁膨脹收縮；振型9是0度、72度、144度、216度和288度方向池壁膨脹收縮；振型10是54.5度、126.5度、198.5度、270.5度和342.5度方向池壁脹縮。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所具有的有益效果是由于能準確地模擬出由預應力筋產(chǎn)生的對大型柱形消化池池壁的環(huán)向力，因此能得出該消化池在空池下的工況下由預應力產(chǎn)生的池壁豎向彎矩，從而避免池壁產(chǎn)生由于豎向彎矩值計算失準而造成的開裂現(xiàn)象。



圖1-1是撒克遜型消化池示意圖； 圖1-2是大陸型消化池示意圖； 圖2是大型柱形消化池結構剖面圖； 圖3是大型柱形消化池計算模型圖； 圖4是預應力鋼筋的內(nèi)力轉化為等效壓力作用于柱形消化池池壁的受力圖； 圖5是大型柱形消化池池壁在三種荷載組合下的受力圖； 圖6是大型柱形消化池池頂在三種荷載組合下的受力圖； 圖7-1、圖7-2、圖7-3和圖7-4分別是在重力、水壓和氣壓標準值共同作用下對池壁的環(huán)向力圖、豎向力圖、環(huán)向彎矩圖和豎向彎矩圖； 圖8-1、圖8-2、圖8-3和圖8-4分別是在預應力標準值作用下對池壁的環(huán)向力圖、豎向力圖、環(huán)向彎矩圖和豎向彎矩圖； 圖9-1、圖9-2、圖9-3和圖9-4分別是在重力和預應力共同作用下對池壁的環(huán)向力圖、豎向力圖、環(huán)向彎矩圖和豎向彎矩圖； 圖10-1、圖10-2、圖10-3和圖10-4分別是在重力、預應力和水壓共同作用下對池壁的環(huán)向力圖、豎向力圖、環(huán)向彎矩圖和豎向彎矩圖； 圖11-1、圖11-2、圖11-3和圖11-4是分別重力、預應力、水壓和氣壓共同作用下對池壁的環(huán)向力圖、豎向力圖、環(huán)向彎矩圖和豎向彎矩圖； 圖12-1、圖12-2、圖12-3和圖12-4是分別重力、預應力、水壓、氣壓和溫度共同作用下對池壁的環(huán)向力圖、豎向力圖、環(huán)向彎矩圖和豎向彎矩圖； 圖13-1、圖13-2、圖13-3、圖13-4、圖13-5和圖13-6是大型柱形消化池在各種荷載工況下的消化池的變形圖； 圖14-1至圖14-10是大型柱形消化池前十階振型圖； 圖15是本發(fā)明大型柱形消化池靜動力分析方法流程圖。

具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
如圖15所示，本發(fā)明大型柱形消化池靜動力分析方法包括以下步驟確定消化池的結構、材料及地質參數(shù)；定義消化池的載荷及取值；基于ANSYS系統(tǒng)中的板殼單元和三維塊體單元建立并計算該消化池的簡化模型；對簡化模型進行靜力分析確定消化池載荷及工況的組合；預應力荷載的等效轉化，將環(huán)向預應力鋼筋的內(nèi)力轉化成等效外荷載；消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力分析；柱形消化池在設計值作用下的受力分析；輸入地震波，采用三維整體建模的方法對簡化模型進行動力分析，得出前十階振型。
采用本發(fā)明大型柱形消化池靜動力分析方法實施例中所涉及到的工程概況(即，設定的消化池的結構)是用作污水處理廠中的一座大型柱形消化池，池體采用無粘結預應力鋼筋混凝土結構。其結構外形(自下而上)由倒圓錐殼、底環(huán)梁、圓柱殼、上環(huán)梁、球殼等單元構件所組成，每池有效容積達10000m3。消化池基礎采用C30混凝土，池壁采用C40混凝土，采用預應力結構。所述消化池剖面圖如圖2所示。
1.確定該大型柱形消化池材料性能的基本參數(shù)用于消化池上的材料主要為混凝土、無粘結預應力鋼筋、普通鋼筋，池壁采用C40混凝土，基礎采用C30混凝土，無粘結預應力鋼筋采用7Φ5的鋼絞線，普通鋼筋采用HPB235(φ)和HRB335(Φ)，混凝土和無粘結預應力鋼筋的材料參數(shù)見表1。錨具采用OVMZ15-X專用錨具，無粘結預應力鋼絞線張拉時采用千斤頂兩端張拉，張拉方法為后張法。
表1材料參數(shù) 2.確定動力分析中所用到的材料參數(shù)和地質資料 具體數(shù)據(jù)分別見表2和表3。
表2動力分析所需的材料參數(shù) 表3地質資料 3.定義荷載取值及工況組合 (1)荷載取值 作用在消化池上的荷載分為兩類，分為永久荷載和可變荷載。結構自重、水池內(nèi)的盛水壓力、結構的預加應力屬于永久荷載；作用在消化池上的氣壓、溫(濕)度變化屬于可變荷載。
各種荷載的取值及其作用位置如下 自重鋼筋混凝土的自重取25kN/m3； 氣壓氣壓分為工作氣壓和試驗氣壓，其大小和作用位置根據(jù)工藝要求確定。該消化池工作氣壓取6.0kPa，試驗氣壓取工作氣壓的1.5倍，即9.0kPa，氣壓均勻分布，作用于整個消化池的內(nèi)壁； 水壓力水池內(nèi)的水壓力應按設計水位的靜水壓力計算。對于污水處理水池，污水的重力密度取10.5kN/m3，設計水位取錐殼和球殼交界向上1.1m，水位標高為33.290m，水深39.790m，按照三角形分布，垂直于消化池內(nèi)壁。
溫度污泥消化池工藝采用中溫消化(33℃～35℃)，這使消化池池壁及頂板產(chǎn)生熱脹冷縮變形，同時因池壁內(nèi)外溫差所引起的變形，而當這些變形受到約束時，就在池體中產(chǎn)生應力。根據(jù)規(guī)范要求，池壁溫差取10℃。
預應力作用在水池結構構件上的預應力標準值，應按預應力鋼筋的張拉控制應力值扣除相應張拉工藝的各項預應力損失采用。
(2)工況組合 水池結構構件，應按照承載能力極限狀態(tài)計算，除結構整體穩(wěn)定驗算外，其余均采用分項系數(shù)設計表達式。并應滿足下式 γ0S≤R (1) γ0——結構重要性系數(shù)。一般情況下水池安全等級取二級，γ0取1.0； S——作用效應組合設計值； R——結構構件抗力設計值。
作用效應組合設計值S應滿足 S＝γG1CG1G1k+γG(CwFwk+CpFpk)+ψcγQ(CgasFgask+CtFtk)(2) γG1——消化池自重分項系數(shù)，取1.2；當對結構有利時，取1.0； CG1——消化池自重效應系數(shù)； G1k——消化池自重標準值； γG——作用在消化池上的水壓和預應力的分項系數(shù)，對結構不利時取1.27；對結構有利時取1.0； Cw——池內(nèi)水壓力效應系數(shù)； Fwk——池內(nèi)水壓力標準值； Cp——預加應力效應系數(shù)； Fpk——預加力標準值； γQ——作用在消化池上的氣壓和溫度的分項系數(shù)，取1.40； ψc——兩種或兩種以上可變作用的組合系數(shù)，取0.9； Ct——溫(濕)度作用效應系數(shù)； ftk——溫(濕)度作用標準值。
按照承載能力極限狀態(tài)計算時，作用效應基本組合設計值應根據(jù)水池形式及其工況取不同的作用項目組合。對于地面水池，內(nèi)力分析必須考慮施工階段、正常使用階段、閉水閉氣試驗階段的各種可能出現(xiàn)的荷載，需要考慮的荷載組合情況如下 重力+水壓+氣壓(標準值組合，用于計算預應力鋼筋) 重力+預應力(空池時產(chǎn)生豎向彎矩的最不利荷載組合) 重力+預應力+水壓(閉水試驗時的荷載組合) 重力+預應力+水壓+氣壓(閉水閉氣試驗時的荷載組合) 重力+預應力+水壓+氣壓+溫度(正常使用階段的荷載組合) 4、本發(fā)明對上述實例所進行的模型的建立、預應力荷載的等效、柱形消化池在設計值作用下的受力分析、柱形消化池的動力分析 (1)計算模型 剛性地基上的計算模型，如圖3所示，用ANSYS軟件進行內(nèi)力計算和分析，池壁采用殼體單元，基礎采用實體單元，在基礎底面上灌注樁的位置施加固定約束。其用途是消化池的靜力分析；消化池地震反應分析。
(2)預應力鋼筋等效荷載的轉化 預應力鋼筋對消化池在水壓作用下產(chǎn)生的環(huán)向位移有約束作用，鋼筋產(chǎn)生足夠的環(huán)向壓力，可以抵消水壓產(chǎn)生的環(huán)向拉力，其效果相當于作用于池壁外側的均布壓力。
如何將預應力鋼筋的內(nèi)力轉化為等效壓力作用于消化池的池壁，是本發(fā)明中的一個關鍵問題。
取內(nèi)徑與外徑之比接近1的薄壁旋轉筒，如圖4所示，外側作用有均布壓力p。取高度為dz的圓臺，該段曲面薄壁筒可以近似視為圓臺側面受均布力作用，尺寸為平均半徑R、厚度t，外壁與水平面夾角為α，圓環(huán)的角度從β1到β2。薄壁圓筒在外側均布壓力p的作用下，在圓周方向產(chǎn)生環(huán)向應力σθ，半徑方向產(chǎn)生徑向應力σr。徑向應力從池壁外側的-p變?yōu)槌乇趦?nèi)側的0，在壁厚非常薄的情況下，σr與σθ比較起來非常小，故，σr常常忽略不計，且假定σθ在截面內(nèi)均勻分布，則，高度方向截面上的集中力T為σθ與截面面積的乘積。
設y坐標軸為扇形圓環(huán)的對稱軸，取一微段dβ，作用于dβ段上的力為 dP＝pRlcos(α)dβ (3) 作用于β1-β2扇形圓環(huán)上的力為 考慮到圓環(huán)上y方向的受力平衡，且β2＝180-β1，則 公式(5)簡化為 2pRlcos(α)cos(β1)＝2Tcos(β1) (6) 即pRlcos(α)＝T T—長度l范圍內(nèi)所有預應力鋼筋的環(huán)拉力(N/m2) 這里，T＝Ay·(σcon-∑σli) Ay—長度l范圍內(nèi)所有預應力鋼筋的截面面積(mm2) σcon—預應力鋼筋的張拉控制應力(N/mm2) ∑σli—預應力鋼筋總的預應力損失(N/mm2) 預應力鋼筋的等效壓力 R——l范圍內(nèi)池體環(huán)向水平半徑，取平均值(m)； α——殼體法向與水平面的夾角。
通過以上計算，環(huán)向預應力鋼筋的內(nèi)力轉化成等效外荷載。
(3)柱形消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力分析 大型柱形消化池受荷載標準值作用后，池壁和池頂產(chǎn)生內(nèi)力的規(guī)律有很大的差異。圖5分別示出了大型柱形消化池池壁在三種荷載組合下的受力，圖6分別示出了大型柱形消化池池頂在三種荷載組合下的受力，圖5和圖6中所示的(a)曲線為重力標準值作用下的受力曲線；(b)曲線是在重力和水壓標準值共同作用下的受力曲線；(c)曲線是在重力、水壓和氣壓標準值共同作用下的受力曲線。
對于消化池池壁而言，三種荷載共同作用時池壁的內(nèi)力最大，而重力和氣壓產(chǎn)生的力很小，重力在柱形消化池池壁上產(chǎn)生的力相當小，大部分范圍內(nèi)的環(huán)拉力接近零。對于池頂，環(huán)向力主要由重力控制，由于池頂比較薄，重力小，所以產(chǎn)生的環(huán)向力也比較小。消化池在重力、水壓和氣壓標準值共同作用下的內(nèi)力圖見圖7-1至7-4所示，其中，圖7-1是環(huán)向力圖，圖7-2是豎向力圖，圖7-3是環(huán)向彎矩圖，圖7-4是豎向彎矩圖?？梢姡谌N荷載組合作用下，柱形消化池池壁環(huán)向主要產(chǎn)生環(huán)拉力，最大值發(fā)生在高度中下部的范圍內(nèi)；徑向主要產(chǎn)生壓力，該壓力呈線性分布，主要由水壓決定；環(huán)向彎矩和豎向彎矩只發(fā)生在中下部靠近底部的范圍內(nèi)。
(4)柱形消化池在設計值作用下的受力分析 ①柱形消化池在預應力等效壓力作用下的內(nèi)力 預應力鋼筋的等效壓力作用于消化池的池壁，計算后得到的內(nèi)力圖見圖8-1至圖8-4所示，其中，圖8-1是環(huán)向力圖，圖8-2是豎向力圖，圖8-3是環(huán)向彎矩圖，圖8-4是豎向彎矩圖。可見，預應力鋼筋對池壁只產(chǎn)生環(huán)向壓力，不影響池壁豎向受力，其原因是當池壁豎直時，環(huán)向預應力鋼筋只產(chǎn)生垂直于池壁的均布壓力，沒有豎向分力。但對于池頂，預應力鋼筋不僅產(chǎn)生環(huán)向壓力，而且產(chǎn)生豎向壓力，以抵消其它荷載在池頂產(chǎn)生的豎向拉力。
預應力鋼筋在池壁產(chǎn)生的彎矩與其它荷載產(chǎn)生的彎矩方向相反，在底部產(chǎn)生的彎矩使池壁內(nèi)部受彎，而在池壁根部產(chǎn)生使池壁外部受彎的彎矩。
②柱形消化池在各荷載工況下的受力分析 柱形消化池在各種荷載工況下的受力圖見圖9至圖12所示。其中，圖9-1是環(huán)向力圖，圖9-2是豎向力圖，圖9-3是環(huán)向彎矩圖，圖9-4是豎向彎矩圖?？梢?，預應力鋼筋產(chǎn)生的環(huán)向壓力不僅抵消了其它荷載產(chǎn)生的環(huán)向拉力，而且抵消了池壁上的一部分彎矩。
當重力和預應力共同作用時，消化池池壁環(huán)向受壓；豎向壓力主要由重力產(chǎn)生，呈三角形分布；環(huán)向彎矩和豎向彎矩沿高度的變化趨勢相同，類似預應力單獨作用的情況，其中豎向彎矩起控制作用。
由圖10-1至圖10-4和圖11-1至11-4可見，池內(nèi)加水加氣后，消化池的受力變得比較有利，環(huán)向豎向均受壓，環(huán)向彎矩和豎向彎矩都控制在50kN.m/m之內(nèi)，并且相應高度的彎矩均小于重力和預應力作用的空池情況，空池時的消化池產(chǎn)生內(nèi)部彎曲的最大彎矩，屬于一種最不利的情況。
由圖12-1至圖12-4可見，溫度對消化池的彎矩影響很大，使幾乎整個消化池不論在環(huán)向還是豎向外側受拉，豎向彎矩最大值達到320kN.m/m，由于池壁與基礎的剛性連結，在底部一米范圍內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)側受彎的彎矩。這屬于消化池受力的又一種最不利的情況。
③柱形消化池在各種荷載工況下的變形 消化池在各種荷載工況下主要產(chǎn)生環(huán)向、豎向和總的位移，位移沿任一子午線對稱。消化池的變形圖見圖13-1至圖13-6。其中圖13-1是為重力、水壓和氣壓標準值組合作用；圖13-2為預應力標準值作用；圖13-3為預應力和重力共同作用；圖13-4為重力、預應力和水壓共同作用(閉水試驗)；圖13-5為重力、預應力、水壓和氣壓共同作用(閉水閉氣試驗)；圖13-6為重力、預應力、水壓、氣壓和溫度共同作用。
由上述變形圖可以很直觀地看出，重力、水壓、氣壓作用下池壁產(chǎn)生向外膨脹的變形，而預應力鋼筋約束該變形，且兩者的變化趨勢相同，呈三角形分布，都在高度6.1m附近達到最大值，兩者共同作用下相互抵消一部分變形，使消化池的受力更加合理。
5.大型柱形消化池的動力特性 輸入地震波，采用三維整體建模的方法對上述大型柱形消化池的簡化模型進行動力分析，得出大型柱形消化池的動力特性。
由模態(tài)分析獲得柱形消化池在空池和滿池兩種狀態(tài)下的振型和頻率，由于兩種情況質量的差異，使其頻率差別較大，前十階振型一致，取前十階自振頻率如表4所示。
表4柱形消化池的自振頻率和周期 上述前十階振型圖如圖14-1至圖14-10所示 振型1——0度、120度和240度方向池壁膨脹收縮； 振型2——30度、150度和270度方向池壁膨脹收縮； 振型3——左右擺動； 振型4——前后擺動； 振型5——30度、120度、210度和300度方向池壁膨脹收縮； 振型6——45度、135度、225度和315度方向池壁膨脹收縮； 振型7——45度和225度方向池壁膨脹收縮； 振型8——90度和270度方向池壁膨脹收縮； 振型9——0度、72度、144度、216度和288度方向池壁膨脹收縮； 振型10——54.5度、126.5度、198.5度、270.5度和342.5度方向池壁脹縮。
盡管結合附圖對本發(fā)明進行了上述描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護范圍的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之列。
權利要求
1.一種大型柱形消化池靜動力分析方法，其特征在于，包括以下步驟
步驟一確定消化池的結構參數(shù)、材料參數(shù)及地質參數(shù)；
步驟二定義消化池的載荷及取值范圍；
步驟三基于ANSYS系統(tǒng)中的板殼單元和三維塊體單元建立并計算該消化池的簡化模型；
步驟四對上述大型柱形消化池的簡化模型進行靜力分析
(4-1)確定消化池載荷的組合情況；
(4-2)確定工況的組合，并同時滿足下述公式(1)和公式(2)
水池結構構件，按照承載能力極限狀態(tài)計算，除結構整體穩(wěn)定驗算外，其余均采用分項系數(shù)設計表達式。并應滿足下式
γ0S≤R (1)
其中γ0——結構重要性系數(shù)。一般情況下水池安全等級取二級，γ0取1.0；
S——作用效應組合設計值；
R——結構構件抗力設計值。
作用效應組合設計值S應滿足
S＝γG1CG1G1k+γG(CwFwk+CpFpk)+ψcγQ(CgasFgask+CtFtk)(2)
其中
γG1——消化池自重分項系數(shù)，取1.2；當對結構有利時，取1.0；
CG1——消化池自重效應系數(shù)；
G1k——消化池自重標準值；
γG——作用在消化池上的水壓和預應力的分項系數(shù)，對結構不利時取1.27；
對結構有利時取1.0；
Cw——池內(nèi)水壓力效應系數(shù)；
Ftk——池內(nèi)水壓力標準值；
Cp——預加應力效應系數(shù)；
Ftk——預加力標準值；
γQ——作用在消化池上的氣壓和溫度的分項系數(shù)，取1.40；
ψc——兩種或兩種以上可變作用的組合系數(shù)，取0.9；
Ct——溫(濕)度作用效應系數(shù)；
Ftk——溫(濕)度作用標準值；
(4-3)預應力荷載的等效轉化
取內(nèi)徑與外徑之比接近1的薄壁旋轉筒，外側作用有均布壓力p；
取高度為dz的圓臺，該段曲面薄壁筒可以近似視為圓臺側面受均布力作用，尺寸為平均半徑R、厚度t，外壁與水平面夾角為α，圓環(huán)的角度從β1到β2；
薄壁圓筒在外側均布壓力p的作用下，在圓周方向產(chǎn)生環(huán)向應力σθ，半徑方向產(chǎn)生徑向應力σr；
徑向應力從池壁外側的-p變?yōu)槌乇趦?nèi)側的0，在壁厚非常薄的情況下，σr與σθ比較起來非常小，故，σr常常忽略不計，且假定σθ在截面內(nèi)均勻分布，則，高度方向截面上的集中力T為σθ與截面面積的乘積；
設消化池簡化模型的y坐標軸為扇形圓環(huán)的對稱軸，取一微段dβ，則作用于dβ段上的力為
dP＝pRlcos(α)dβ (3)
作用于β1-β2扇形圓環(huán)上的力為
考慮到圓環(huán)上y方向的受力平衡，且β2＝180-β1，則
公式(5)簡化為
2pRlcos(α)cos(β1)＝2Tcos(β1) (6)
即pRlcos(α)＝T
其中T—長度l范圍內(nèi)所有預應力鋼筋的環(huán)拉力(N/m2)
這里，T＝Ay·(σcon-∑σli)
其中Ay—長度l范圍內(nèi)所有預應力鋼筋的截面面積(mm2)
σcon—預應力鋼筋的張拉控制應力(N/mm2)
∑σli—預應力鋼筋總的預應力損失(N/mm2)
預應力鋼筋的等效壓力
R——l范圍內(nèi)池體環(huán)向水平半徑，取平均值(m)；
α——殼體法向與水平面的夾角。
通過以上計算，環(huán)向預應力鋼筋的內(nèi)力轉化成等效外荷載；
(4-4)柱形消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力分析；
(4-5)柱形消化池在設計值作用下的受力分析；
步驟五輸入地震波，采用三維整體建模的方法對上述大型柱形消化池的簡化模型進行動力分析，得出大型柱形消化池的動力特性。
2.根據(jù)權利要求1所述的大型柱形消化池靜動力分析方法，其中，所述計算模型是在剛性地基上的計算模型，用ANSYS系統(tǒng)進行內(nèi)力計算和分析，所述消化池的池壁采用殼體單元，所述消化池的基礎采用實體單元，并在基礎底面上灌注樁的位置處施加固定約束。
3.根據(jù)權利要求1所述的大型柱形消化池靜動力分析方法，其中，所述該消化池載荷的組合情況是
標準值組合，以用于計算預應力鋼筋，其組合由重力+水壓+氣壓形成；
空池時，產(chǎn)生豎向彎矩的最不利荷載組合，其組合由重力+預應力形成；
閉水試驗時的荷載組合，其組合由重力+預應力+水壓形成；
閉水、閉氣試驗時的荷載組合，其組合由重力+預應力+水壓+氣壓形成；
正常使用階段的荷載組合，其組合由重力+預應力+水壓+氣壓+溫度形成。
4.根據(jù)權利要求1所述的大型柱形消化池靜動力分析方法，其中，所述步驟四中的柱形消化池在設計值作用下的受力分析包括
柱形消化池在預應力等效壓力作用下的內(nèi)力；
柱形消化池在各荷載工況下的受力分析；
柱形消化池在各種荷載工況下的變形。
5.根據(jù)權利要求1所述的大型柱形消化池靜動力分析方法，其中，所得出的所述大型柱形消化池的動力特性是在空池和滿池兩種狀態(tài)下的振型和頻率，其前十階振型如下
振型1是0度、120度和240度方向池壁膨脹收縮；
振型2是30度、150度和270度方向池壁膨脹收縮；
振型3是左右擺動；
振型4是前后擺動；
振型5是30度、120度、210度和300度方向池壁膨脹收縮；
振型6是45度、135度、225度和315度方向池壁膨脹收縮；
振型7是45度和225度方向池壁膨脹收縮；
振型8是90度和270度方向池壁膨脹收縮；
振型9是0度、72度、144度、216度和288度方向池壁膨脹收縮；
振型10是54.5度、126.5度、198.5度、270.5度和342.5度方向池壁脹縮。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型柱形消化池靜動力分析方法，包括以下步驟確定消化池的結構、材料及地質參數(shù)；定義消化池的載荷及取值；基于ANSYS系統(tǒng)中的板殼單元和三維塊體單元建立并計算該消化池的簡化模型；對簡化模型進行靜力分析確定消化池載荷及工況的組合；預應力荷載的等效轉化，將環(huán)向預應力鋼筋的內(nèi)力轉化成等效外荷載；消化池在荷載標準值作用下的內(nèi)力分析；柱形消化池在設計值作用下的受力分析；輸入地震波，采用三維整體建模的方法對簡化模型進行動力分析，得出前十階振型。本發(fā)明能準確地模擬出由預應力筋產(chǎn)生的對池壁的環(huán)向力，得出在空池下的工況下由預應力產(chǎn)生的池壁豎向彎矩，從而避免池壁產(chǎn)生由于豎向彎矩值計算失準而造成的開裂現(xiàn)象。
文檔編號G06T19/00GK101211379SQ20071006016
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月25日 優(yōu)先權日2007年12月25日
發(fā)明者姜忻良, 海 高, 蕾 袁, 南 姜, 白玉平, 宗金輝 申請人:天津大學