基于ANSYS的某黏結預應力混凝土沉淀池設計優化研究

王學勇

(天水市水務局，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，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揮了重要作用，沉淀池設計必須要考慮結構穩定性與安全運營[1- 2]。國內外目前已有諸多學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化的沉淀池結構。原材料從鋼結構到混凝土結構，當預應力技術在水工建筑結構領域被使用，預應力混凝土亦被廣泛應用[3- 6]。基于有限元數值軟件，解決結構中應力值求解[7- 9]，優化預應力混凝土施工方案，提升沉淀池結構設計安全運營效率，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，為當地工農業用水的沉淀過濾提供保障，設計使用年限50a，外形為空心圓柱設計，其中尺寸設計為內徑65m，外徑65.5m，高出地面標高32.5m，設計采用黏結預應力混凝土澆筑施工，沉淀池底部鋪設有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級標準施工設計，在基礎施工時添加抗震支座，場地周期穩定在0.38s。前期工程地質勘察表明，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，在建筑物南側地區土層較薄，砂土層與砂礫石混雜，厚度約為2～5m，基巖位于河床以下18m，中粗顆粒結構的灰巖，局部夾有破碎帶，存在黏土質膠結。根據現場原位試驗得知，土層液化不明顯，地基標準承載力為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，將沉淀池地坪標高以下3m范圍內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構穩定性，以黏結預應力混凝土作為原材料，在距施工現場3km處的攪拌站制作后，運輸至施工現場。沉淀池壁設計8個錨固彎鉤，每個彎鉤弧度為4°，寬度設計0.4m。預應力池壁直接與沉淀池基礎接觸面設計0.02m厚止水墊片，基礎采用鋼筋混凝土結構，基礎墻高度為2.5m，墊層為C20素混凝土，厚度0.1m。沉淀池壁設計立面圖如圖2所示。

圖1 沉淀池結構剖面(標高單位：m，長度單位：mm)

圖2 沉淀池結構立面圖(標高單位：m，長度單位：mm)

2 有限元模型建立與設計參數

本文有限元模擬分析利用ANSYS數值軟件，其中混凝土材料等利用SOLID45單元體，以Link系統作為黏結混凝土連接線，以耦合技術連接預應力混凝土與基礎地面等其他結構部分，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，節點數134827個，其中黏結預應力混凝土池壁占比21%，土體結構占比63.4%，數值模型建成后如圖3所示。

圖3 數值模型

依據材料力學理論可知，預應力混凝土受拉伸應力時應保證內部裂縫不產生二次裂隙，即不發生裂紋的延伸或擴展。預應力混凝土應力應變變化曲線如圖4所示。

圖4 混凝土應力應變曲線

混凝土拉伸荷載下本構方程為：

σ=(1-ht)Eε

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，αt—下降段線性參數；ft，x—抗拉強度；εt，x—峰值拉伸應變；ht—損傷變量系數。

同理，壓縮荷載下本構方程為：

σ=(1-hc)E′ε

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，αc—壓縮曲線下降段線性參數；ft，x—抗壓強度；εt，x—峰值壓縮應變；hc—壓縮損傷變量系數。

另一方面由于是黏結預應力混凝土，故需考慮黏結鉸鏈線(鋼筋)應力變形特性，其中黏結鉸鏈線(鋼筋)本構方程為：

(10)

式中，Ee—彈性模量；ε′—應變值；fn，ε—屈服強度；εn、εm—屈服應變與起裂應變；k—屈服段斜率。

黏結預應力混凝土模型中不可避免需要考慮每部分結構孔洞偏差系數(Z)與流動摩擦系數(U)，國內外諸多學者或工程師已專注研究了此2類參數對預應力混凝土性能影響，并獲得了不同固化時間或不同系數取值對預應力張拉特性影響規律[10]。孔洞偏差系數(Z)與流動摩擦系數(U)分別與張拉時間段關系曲線如圖5所示。從圖5中可知，孔洞偏差系數(Z)隨張拉時間拉長而持續增大，在張拉時間點75～90d時，增幅超過1個量級；流動摩擦系數(U)隨張拉時間點亦在第75d時發生典型突變，前期流動摩擦系數或不變或減小，在第75d之后，爬升式增長。

圖5 孔洞偏差系數與流動摩擦系數與張拉時間關系

預應力混凝土在數值軟件中施加預應力時處于理想狀態下，而在實際建設沉淀池過程中，不可避免會造成一部分預應力損耗，因而需要考慮預應力損耗。根據本工程實際資料，考慮3部分預應力損耗，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力損耗，即

(12)

另一部分為混凝土自身收縮裂隙消耗的預應力，以下式作為計算方法：

(13)

(14)

式中，σn′、σm′—拉應力、壓應力區域內法向應力；fr、fr′—拉應力、壓應力區域內抗壓強度；ρ、ρ′—拉應力、壓應力區域內配筋率。

混凝土養護形成與溫度息息相關，而本工程又處于西北氣候干燥地區，需要考慮溫度對預應力混凝土應力特性影響，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；Tx、T0—計算溫度與空氣實測溫度。

3 混凝土沉淀池設計優化分析

3.1 預應力鋼筋張拉施工工序優化

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力對混凝土裂縫影響，因而設計最合理科學的施工工序將有助于提升沉淀池工程質量。本文提供了2種預應力張拉施工方案，第一種沿著沉淀池壁逐步往下，依次張拉完成所有預應力鋼筋；第二種由沉淀池壁底部至頂部，依次張拉完成預應力鋼筋。

圖6 沉淀池內外壁環向應力曲線(從頂部至底部)

2種張拉方案沉淀池內外壁應力變化曲線如圖6—7所示。從圖6—7中可看出，當從上至下逐步張拉時，沉淀池壁內外表面均逐步形成壓應力，并隨著張拉圈數增大，預應力亦逐步增大，在沉淀池底部，即高度0.0m時，張拉圈數為第5圈的沉淀池內壁應力相比第3圈增長了50%。另一種張拉方案各組張拉應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壁底部處壓應力達到0.2MPa，相比從頂部至底部張拉方案要高0.1MPa左右，分析出現此種現象主要是由于自底部張拉至頂部，為了減少與應力損耗，不可避免需要在張拉開始處增大一定的壓應力儲備。由此表明，從底部延伸至頂部，會導致沉淀池壁局部區域預應力損耗嚴重，結構上下應力不均衡，出現局部彎曲變形，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。

3.2 沉淀池應力特征分析

自頂部至底部張拉施工方案下沉淀池壁環向應力特征變化如圖8所示。從圖8中可知，總體態勢上沉淀池內外壁環向應力均隨高度增大而逐漸減小，壓應力范圍在1.67～1.87MPa，局部區段出現一定突變現象，例如在高度1.75～2m范圍內，沉淀池內表面環向應力增幅超過6%，分析是由于在該區段處設置有蓄水槽，導致局部抗彎截面矩過大，環向應力分布出現增大現象。沉淀池壁斷面上豎向應力變化表明，在內壁表面出現有拉應力，且拉應力表現先增大后減小趨勢，轉折點在高度0.5m處，最大拉應力為0.69MPa，而且在沉淀池內壁底部處初始拉應力即達到0.1MPa，后逐步增大至峰值拉應力。沉淀池壁外表面高度方向應力與內壁表面相反態勢，先從拉應力逐漸減小至壓應力，壓應力隨之增大至峰值壓應力，達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力分布云圖如圖9所示。

圖7 沉淀池內外壁環向應力曲線(從底部至頂部)

圖8 沉淀池壁應力特征變化

圖9 沉淀池壁表面徑向應力分布

從圖9中可看出，徑向方向上不僅僅存在壓應力，在蓄水池上下端出現拉應力，但最大拉應力僅有6kPa，存在于沉淀池外蓄水池區域處。池壁斷面上整體均處于0.0016MPa的應力分布，量值較低，且整體變動幅度不超過0.1MPa。根據規范要求[12- 13]，黏結預應力鋼筋混凝土張拉時需滿足最大拉應力低于4.6MPa，而計算獲得不論是內外壁環向應力，亦或是徑向最大拉應力，均滿足設計要求，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展，而影響沉淀池結構穩定性。

3.3 考慮溫度影響設計優化

為了考慮溫度對黏結預應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構開展對比分析，獲得3種不同工況下的沉淀池內外表面環向應力與豎向應力變化曲線。沉淀池壁內外表面原設計結構整體上環向應力均是隨高程逐漸增大態勢，但考慮溫度影響后，不僅僅應力分布從壓應力轉變成拉應力，且應力變化態勢也發生逆轉性變化，拉應力隨高程增大先增大后減小，且夏季溫度高，拉應力值大，在同為高程2m處，沉淀池外表面考慮夏季溫度影響的應力值比考慮冬季溫度高18.4%。對比沉淀池壁內外表面環向應力可發現，考慮夏季或冬季溫度影響的應力變化曲線在同一表面內(內表面或外表面)，其應力值變化曲線趨于一致，同時內外表面在高度0.5m處分別出現各自的最低、最高拉應力值，內表面考慮夏季溫度影響的最大拉應力值出現在高度2m處，達0.45MPa，而外表面同等工況下最大拉應力值為0.58MPa，平均拉應力內表面量值比外表面量值大，如圖10所示。

從豎向應力變化曲線來看，考慮溫度影響的應力變化趨勢一致，且相比原設計結構均有顯著差異，考慮冬季溫度影響沉淀池壁內表面最大壓應力為0.88MPa，位于高度0.75m處，考慮夏季溫度影響工況下最大壓應力亦達到0.88MPa，位于高度0.5m處，但原設計結構最大壓應力為0.68MPa，位于高度0.5m處，另外沉淀池壁內表面原設計結構拉應力區間段顯著比其他2個考慮溫度影響要多，原設計結構內表面拉應力最大為0.58MPa，拉應力區域出現在高度1.6～3.5m段內，而另外2個考慮溫度影響的僅僅在高度2m后出現僅為0.1MPa拉應力變化幅度。沉淀池外表面考慮溫度影響2個工況下拉、壓應力分布與池壁內表面呈相反變化，外表面2個溫度影響工況下分布以拉應力區間段為主，壓應力分布變化幅度較小，僅有0.005MPa變化，而原設計結構相比溫度工況下，變化幅度較明顯，其最大壓應力達到0.7MPa，且規律趨勢性較無序，如圖11所示。由此可見，從沉淀池壁環向應力與豎向應力考慮溫度影響應力工況可知，沉淀池結構必須設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構應力影響。

4 結論

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

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

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

圖10 沉淀池考慮溫度影響環向應力變化

圖11 沉淀池考慮溫度影響豎向應力變化