基于有限元模型的改造多格矩形水池底板内力计算分析_马梓涵.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言伴随城镇污水排放标准提高，为避免重建带来的浪费，利用现有水池进行加固改造处理成为当下市政工程的重点。结构设计在此类改造工程中的主要工作包括对现状水池受力构件的复核、对改造池壁提出加固措施、对软弱土地基提出加固处理等1，其中以需增加隔墙的水池底板的内力复核计算最为复杂。2研究背景就当下水池结构设计工程而言，水池底板、池壁等构件多采用给水排水工程结构设计手册（第2版）2中的传统结构力学算法，在净反力直线均匀分布假设下，将底板简化为多跨连续梁进行计算，并在支座处叠加池壁弯矩。但近年来，Winkler地基模型、弹性半空间地基模型及有限压缩层地基模型被应用到水池底板的计算中，王志鹏等3对单跨矩形水池底板不同模型下地基反力分布及大小进行了对比，王跃磊4、陈剑5等分别对不同等跨水池底板不同模型下的内力分布进行了对比。以上研究均表明：对于板跨较大的底板，净反力直线均匀分布假设下的计算结果难以真实反映地基反力的真实分布，且底板的内力值计算值往往偏大。因此，对于水池改造项目而言，在设计值偏保守的情况下，需对现状水池底板采用更符合实际的模型，精准得到现状底板的真实内力大小及分布基于有限元模型的改造多格矩形水池底板内力计算分析Calculation and Analysis of the Raft Foundation of the Multi-GridRectangular Pool Based on the Finite Element Model马梓涵，王强（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）MA Zi-han,WANG Qiang(North China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.,Tianjin 300074,China)【摘要】结合工程实例，对加隔墙改造前后的现状多格水池构筑物进行了基于 Winkler 假设有限元建模分析，将底板内力计算结果与工程设计计算中的净反力直线分布假设的计算结果对比。针对上述成果，分析了两种假设计算的优缺点，给出了改造前后不利工况下弯矩包络结果。【Abstract】Combined with engineering examples,a finite element modeling based on the Winkler assumption of the multi-grid poolstructures with adding partition walls was analyzed.The results of this analysis are compared with the calculation results of the lineardistribution assumption applied in the engineering design.In view of the above results,the advantages and disadvantages of the twohypothetical calculations are analyzed,and the bending moment results under dangerous conditions are shown.【关键词】多格水池；有限元方法；筏型底板；Winkler 地基模型【Keywords】multi-grid rectangular pool;finite element method;raft foundation;Winkler foundation model【中图分类号】TU991.34+3；TU375【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）04-0016-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.04.005【作者简介】马梓涵（1994），男，天津人，工程师，从事结构工程设计与研究。16Architectural and Structural Design建筑与结构设计情况，才能减少不必要的加固措施造成的浪费。故而本文工程案例选取基于Winkler假设的有限元模型建模计算分析，并与传统算法结果做以对比。3工程概况本研究选取工程案例为浙江省诸暨市某污水处理厂内粗格栅及提升泵房，由进水前池、粗格栅池及提升泵房组成（见图1）。其中壁厚0.3 m进水前池（内径9.5 m4.3 m），壁厚0.3 m两格粗格栅（内径8.0 m1.8 m），壁厚0.5 m两格泵池（内径10.0 m8.05 m）及壁厚0.2 m出水阀门井（内径4.1 m17.0 m）底板厚均为0.6 m，飞边宽度0.5 m，顶板厚0.12 m。该工程采用相对标高，场坪标高为0.0 m，水池顶板为0.2 m，地下抗浮设计水位为-0.5 m，工艺最高水位为-4.25 m。为满足引入工业污水要求，需对单格泵池增加4.5 m高隔墙一道，壁厚0.3 m。改造后水池划分：将临近外池壁一格作为工业用水格，将另一格与未改造依靠闸门洞口联通，用作生活污水格。图 1有限元模型轴测图及水池剖面图4不同假设模型下的底板内力计算4.1基于 Winkler 假设地基模型的水池有限元模型基于改造水池设计信息建立有限元模型详见图1。本水池有限元模型按改造前后水池布置分别建立模型，最大单元宽度取0.5 m进行网格划分。主动土压力系数Ka取1/3，外土重度取18 kN/m3，地下水重度取10 kN/m3，池内污水重度取10.5 kN/m3；屋面不上人活荷载取0.5 kN/m2，池顶上人活荷载取2.0 kN/m2；面附加恒载以建筑做法对应取值。水池角部及框架柱根部添加Dx及Dy方向约束；水池底板下皮按Winkler假设模型，根据地勘报告提供参数并参考王刚6对不同基床系数下构筑物筏型基础结果对比的工程建议，输入基床系数为20 000 kN/m3的面弹簧约束。针对实际改造施工完成、检修阶段及正常使用阶段可能发生工况，以表1所列工况为不利工况进行对比分析。表 1可能发生的不利工况编号改造前/后主要发生阶段工况描述备注A-1 改造前正常使用/检修阶段地下水高水位，单格泵池空池，其余各格达到设计最高水位发生于检修阶段或前端水池闭闸时B-1 改造后正常使用/检修阶段地下高水位，新生活格及未改造泵池格空池，其余各格达到设计最高水位发生于检修阶段或前端水池闭闸时B-2 改造后正常使用/检修阶段地下高水位，工业用水格空空池，其余各格达到设计最高水位发生于施工还土完成阶段、检修阶段或前端水池闭闸时4.2基于净反力直线均匀分布假设底板内力计算求解底板内力的计算方法，工程设计中常采用反力直线均匀分布假定，并叠加池壁在不同工况下产生的弯矩进行计算。本文研究中，池壁弯矩的叠加参考给水排水工程结构设计手册（第2版）力矩分配算例算法和易志强7研究中的弯矩分配算法进行计算。5计算结果对比与分析5.1基于 Winkler 假设有限元模型结果图2所示为提升泵池下方的底板在改造前后不同工况下的有限元计算结果，采用基于Winkler模型的面弹簧约束后，底板的弯矩分布云图与基本概念吻合，反映了池壁、框架柱等约束处的变化。同时，本研究中，考虑到底板与池壁节点处厚度效应及刚度突变影响，细化了池壁根部对应底板处的有限单元，在5.2节对比结果中做以剔除。根据图2中有限元计算结果可知，在各类不利工况下，对于x向弯矩，底板上皮起控制作用弯矩出现在空格跨中位置，底板下皮起控制作用弯矩出现在空格池壁根部对应位置；y向弯矩分布情况类似。底板内力分布情况与传统结构力学计算方法相一致。对比工况A-1和工况B-1，隔墙的增加使得未改造格的控制弯矩进一步增大，故而在增加隔墙的改造工程中，对隔墙尺寸、高度应做相应的控制，尽量减少其对原结构的影响。同时，较小的厚度及高度亦可减少植筋数量，从而减少对原结构构件的破坏。对比工况A-1和工况B-2，隔墙的增加使得底板上皮控制弯矩减小约32%，对于大跨度底板上皮为有利作用，17Construction&DesignForProject工程建设与设计图 2不同工况下底板有限元计算结果但对多跨向池壁根部对应位置底板弯矩的作用并不明显。另外，值得注意的是，本工程抗浮设计水位较高（地面以下0.5 m），根据模型中地基反力分布趋势，空格水池下方对应位置只受压面弹簧节点处反力为零，即存在局部抗浮问题。结合图2结果，地下水浮力对底板内力影响明显，但往往在设计过程中易被忽视，导致底板上皮配筋面积小于实际所需。最后，有限元底板内力计算结果显示，多跨方向底板上下皮控制截面配筋面积明显不同，下皮所需配筋面积远大于上皮。故可在上下通配的前提下，对池壁根部对应底板下皮位置附加相应钢筋，满足承载力及耐久性要求。5.2Winkler 假设模型与传统模型结果对比本研究将Winkler假设有限元模型计算结果与地基反力直线均匀分布假设传统模型计算结果对比，旨在使内力计算结果更为精准，减少在改造设计中因内力计算差异增加的加固措施的浪费，同时对今后设计阶段提供参考。结果详见图3。图3中，当以净反力直线分布模型计算时，能反映出弯矩的变化趋势。但对于大跨度空池底板格计算时，支座（尤其中间T形部位）与跨中弯矩计算结果过大，模型结果失真。对于改造后的小跨度格，跨中弯矩对比同工况下有限元Winkler模型结果仍大很多，会对设计及改造复核工作造成不必要浪费。对于空池边跨支座处，反力直线分布假设结果小于Winkler模型结果，如设计中采用此种算法，会使该处配筋面积小于承载力或耐久性要求。由此可见，当存在大跨度的底板时，反力直线分布假设计算并不合理，计算结果失真。故在设计阶段或是改造复核阶段，针对此类大跨度多格底板，应当选取Winkler模型进行计算，才能真实反映底板在各工况下的内力值。6结论本文对增加隔墙的多格水池进行了基于Winkler假设的有限元模型计算，同传统设计中地基反力直线分布假设模型计算结果做以对比，得出结论如下。1）改造多格水池中隔墙等构件的增加应尽量选取小截面及高度，以防止其自重及充当支座作用引起相邻格底板下皮弯矩增大；同时可以有效减少植筋数量，避免对原构件的破坏。2）大跨多格水池增加内隔墙会对其所在格原状底板内力产生有利作用，但会增加未改造格内力，故而在有条件及工艺允许的情况下，在多跨向对称位置增加隔墙对原结构较为有利。3）抗浮水位较高时，对大跨度底板，设计中尤其应注意水浮力的影响，需考虑底板局部抗浮问题，对配筋面积进行复核。4）针对大跨度多格水池的设计及改造复核，在计算时，应a工况 A-1b工况 B-1c工况 B-2MxxMxxMxxMyyMyyMyy18Architectural and Structural Design建筑与结构设计首选Winkler模型。因为净反力直线分布计算结果往往失真，计算值过大，而Winkler模型计算结果符合实际底板内力分布状况，同时能更好地反映支座处弯矩的分布状况。【参考文献】1庄勇,魏常宝.污水处理厂水池改造与加固J.特种结构,2018,35(6):46-52.2给水排水工程结构设计手册编委会.给水排水工程结构设计手册M.2 版.北京:中国建筑工业出版社,2007.3王志鹏,周思.弹性地基上矩形水池底板的计算分析J.吉林水利,2015(6):1-4.4王跃磊,吴斌.矩形敞口水池底板内力分析探讨J.天津建设科技,2010,20(6):59-61.5陈剑,钱彪,叶小忠.矩形水池底板结构内力分析探讨J.科技创新导报,2009(12):67-68.6王刚.给排水构筑物筏板基础受力模型分析与计算J.特种结构,2018,35(3):75-79.7易志强.多格水池底板内力计算方法研究J.建材发展导向（下）,2017,15(5):21-22.【收稿日期】2022-06-07图 3不同计算模型结果对比x/Lx/Lx/La工况 A-1b工况 B-1c工况 B-2Myy（kN m/m）Myy（kN m/m）Myy（kN m/m）注：x为沿跨度方向的位置；L为跨度。19