淺談Staad.Pro軟件在水池結構計算中的應用

摘? 要：水池作為工業設計中的常見結構類型[1]，其在工業設計中占有重要地位。本文結合工程實例，介紹了采用計算軟件Staad. Pro對某鋼筋混凝土水池建模、加載和后處理過程，并將數值模擬結果與水池規范計算結果進行對比分析，結果表明采用Staad. Pro計算軟件所得結果具有較高的精確度能夠滿足規范要求其，可為類似結構的建模和數值分析提供參考。

關鍵詞：水池Staad.Pro建模;壁板彎矩分析;水池規范驗證

中圖分類號：TU375? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）03-0000-00

0 引言

在實際工程中，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。設計中，設計人員通常采用規范公式手算或者計算軟件對池體進行計算分析，本文筆者結合工程實例，采用有限元軟件Staad.Pro對水池進行整體建模計算分析，并將軟件計算結果與規范計算結果進行對比比較，分析二者差異。另通過對多個帶橫向走道板水池結構模型的池壁頂端最大位移和池壁豎向支座彎矩數值進行對比分析，驗證水池規范中“走道板可作為池壁支承構件”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控池，池體尺寸：24m×10m×6m，埋深5.8m。設計池壁厚0.5m，池底板厚0.6m，底板挑出長度1.0m，池底板下增設0.5m厚平衡層，每邊寬出底板0.1m。本場地地下水位埋深為0.10～1.20m，設計最高地下水位可按地表考慮。工程場地抗震設防烈度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：選擇板單元構建水池整體模型后，采用四邊形網格，對板單元劃分網格，大小為0.5m。定義截面厚度：創建0.5m、0.6m板單元，設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：在支座創建命令里選擇基礎—板筏基礎—方向Y—無。其中，地基壓縮模量即地基基床反力系數，從《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》SH/T3132-2013根據土的類型查出K取值范圍2.0～4.0x104 kN/m3。本例持力層為可塑粘性土，基床系數取20000kN/m3[2]。選定池底板單元，添加基礎支座約束。

2.2 荷載施加

水池內水壓力標準值按設計水位的靜水壓力計算，本例取水的重力密度10kN/m3，同時考慮池內最不利水位進行計算。土壓力標準值計算：位于地下水位以上的部分可按朗肯公式計算主動土壓力，土的重力密度取18kN/m3;對于地下水位以下部分的側壓力應為土的側向土壓力和地下水的靜壓力之和，此時土的重力密度應取有效重力密度。地下水對水池作用力標準值取值，地下水的設計水位按照勘察部分提供的數據確定可能出現的最低水位和最高水位，本例最高水位按池壁頂端計算。

本例為地下式敞口池，抗震設防烈度7度，故只需考慮池壁和底板受力，地震荷載、風荷載、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水壓力和池外水土壓力。池底板受力主要為池內水自重、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，故建模加載荷載時可以不添加該類荷載。

荷載工況一般有蓄水試驗、空池和正常操作三種工況。圖3所示，蓄水試驗工況為自重和池內滿水組合;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、池內滿水和池外水土壓力組合。正常操作工況時，池內滿水對壁板的作用力方向與池外水土作用對池壁的作用力方向相反，有抵消效果，故相比而言，最不利工況出現在蓄水試驗或空池工況，故本例簡化，只計算蓄水試驗和空池工況。池內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—運行分析。運行完畢后，在后處理板單元查詢處理結果。選板單元-等值線，出現選擇對話框。在對話框中，選擇需要分析的工況，在應力類型選全局坐標彎矩，然后通過選擇全局坐標結果方向得到相應的彎矩圖形。由壁板彎矩分析結果可得出在蓄水試驗和空池工況下板單元上彎矩值變化趨勢。長壁板和短壁板水平向彎矩極大值出現在水平支座處，長壁板的豎向彎矩極大值出現在豎直支座處，而短壁板的豎向彎矩極大值出現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為豎向支座彎矩）。將兩種工況下極值選出如表1所示，對比數據可知，空池工況為最不利工況。

4 Staad.Pro結果與規范結果對比

4.1 壁板彎矩對比

按石油化工鋼筋混凝土水池設計規范SH/T 3132-2013計算壁板。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，頂端自由計算。在側向荷載作用下，當L/H<0.5時，H>2L部分按水平向單向計算，底部H=2L部分按雙向計算，H=2L處可視為自由端;0.5≤L/H≤3，按雙向計算;L/H>3時，按豎向單向計算。其中L為壁板的計算長度，H為壁板的計算高度。計算結果與空池工況結果對比見表2：

從表2數據可知，對長向壁板彎矩極大值，規范計算結果比Staad.Pro計算結果大;水平支座彎矩規范計算結果比Staad.Pro計算結果大1%，豎向支座彎矩規范計算結果比Staad.Pro計算結果大20%。對短向壁板彎矩極大值，豎向支座彎矩，規范計算結果比Staad.Pro計算結果大62%，而對于短向壁板彎矩水平支座方向，規范計算結果卻比Staad.Pro計算結果小120%。原因在于：Staad.Pro算法是整體建模計算，壁板按固端連接考慮，所以計算結果長向壁板與短向壁板水平支座彎矩相差不大。而依據規范計算，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得出的結果，故水平支座彎矩值不一致。

4.2 壁板支承系統構造驗證

當池壁頂端走道板厚度不小于200mm，寬厚比不大于5時，其橫向水平支承構件（板或梁）的間距與池壁計算高度比值小于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件。在滿足構造要求的情況下，按下列條件取為彈性固定支承或不動鉸支承：

（1）在滿足構造要求的情況下，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可按下式計算：

式中：走道板水平向計算跨度（L）與池壁計算高度（H0）的比值;池壁計算寬度，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）在滿足構造要求的情況下，當符合下式要求時，走道板可視為池壁頂端的不動鉸支承：

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件簡圖5所示：

在原模型基礎上沿長向池壁單側增加走道板，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，橫向走道板均分長向池壁，走道板詳圖如圖6-圖10所示。在原模型基礎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。通過軟件計算各模型在空池工況下，走道板一側池壁頂端節點的最大位移值和最大位移出現處寬度0.5m壁板與底板交接處豎向支座彎矩值變化，具體數值及相關參數見表3。

由表3和圖12可知：僅沿長向池壁加走道板，無橫向走道板時，αT 為0.21，基本無支承效果;隨著橫向走道板數量的增加，計算跨度L逐漸減小，αT 數值逐漸接近1，池壁頂端節點位移最大值也逐漸減小，豎向支座彎矩值逐漸減小，由此可驗證走道板可作為池壁的支承構件。當ng≥0.25m4 H0/b 時，即三橫走道板模型及橫走道板數多于三的池體模型，池壁頂端節點位移最大值為0.35mm;而且此時豎向支座彎矩113.21與池頂帶蓋板時彎矩值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鉸支座。

5 結語

本文結合工程實例，介紹了Staad.Pro在水池結構設計中的建模、加載和后處理過程。將Staad.Pro軟件壁板計算結果與規范計算結果進行比較，得出三維設計結果更接近實際，為工程設計優化方案、節省投資，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，驗證規范中走道板可以作為池壁支承構件的理論，以及當ng≥0.25m4 H0/b 時，走道板可視為池壁頂端不動鉸支座結論的正確性。

參考文獻

[1] 周世光.STAAD.Pro在池類結構建模中的應用[J].醫藥工程設計，2009（5）：53-56.

[2] 顧曉魯，錢鴻縉，劉惠珊，等.地基與基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[3] SH/T 3132-2013.石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范[S].

收稿日期：2020-02-24

作者簡介：陳耀輝（1986—），男，河南夏邑人，碩士，工程師，研究方向：煉油化工結構設計。