污泥濃縮池結構的有限元分析與設計

王相寶 趙 凡 中海油石化工程有限公司

1 前言

污泥濃縮池在化工行業中應用較為廣泛，該裝置的作用是對生產過程中產生的污泥進行壓縮處理，原理是通過濃縮的方式將污泥中的水分壓縮排出，使得污泥的體積規模得以變小，從而變相減少了化學藥劑的使用，除污的動力設備配置也相應降低，在滿足裝置運行的前提下，做到了節能減排，而且除污管道的配置也會減少，節約了工程成本?；ぱb置中常用的污泥濃縮池為輻流式池型，污泥從中心筒連續配入，豎向或徑向流往周邊集水槽，污泥濃縮于池底，并連續排出，清水則從集水槽連續排出。污泥濃縮池的構造詳見圖1。

圖1 污泥濃縮池簡圖

2 結構形式

本文選取某化工項目中污泥濃縮池作為設計對象。該算例形狀為圓形，材質為鋼筋混凝土，地面以上的水池高度為4.1m，地面以下的水池高度為3.05m，濃縮池的直徑為14.8m。本工程設計使用年限為50年，抗浮設計水位為室外地坪下0.5m，場地類別為Ⅱ類。其余設計參數如表1所示。

表1 設計參數

由于污泥濃縮池地處嚴寒地區，室外溫度較低，水池池壁外露，因此池體的混凝土抗凍等級為F200。通過當地的環境類別確定：濃縮池壁板的混凝土保護層厚度為35mm，底板的混凝土保護層厚度為40mm。池體受力鋼筋的強度等級均為HRB400。根據SH/T 3132—2013《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》，污泥濃縮池的防水要求比較嚴格，需采用抗滲等級為P8 的C30 抗滲混凝土，污泥濃縮池的結構截面尺寸詳見圖2。

圖2 污泥濃縮池結構剖面圖

3 結構設計

3.1 荷載組合

污泥濃縮池的結構設計，應根據水池的型式及其工況取不同的荷載效應組合[1]，本算例的荷載組合詳見表2。

表2 荷載組合表

3.2 建模計算

基于世紀旗云軟件中的水池模塊進行污泥濃縮池的三維有限元模擬計算。污泥濃縮池在結構承載能力極限狀態計算時，發現在荷載的基本組合下，最不利組合中的彎矩起控制作用。水池環形壁板和圓形底板在X向及Y向的彎矩應力云圖如圖3所示。

由圖3 可知，在基本組合的最不利工況下，由于污泥濃縮池的壁板頂部自由無約束，所以環形壁板的Y 向頂端彎矩為0，且Y 向的彎矩由上至下越來越大，最大彎矩為65.70kN·m；環形壁板X 向彎矩的變化規律也呈現為由上至下逐漸變大，最小彎矩為41.00kN·m，最大彎矩為60.80kN·m。污泥濃縮池底板的彎矩，X 向與Y 向變化規律相似，均為壁板與底板相交的角隅處彎矩最大，由底板四周向中心逐步變小，X向的最大彎矩為15.60kN·m，Y向的最大彎矩為51.80kN·m。彎矩云圖整體展現的應力變化趨勢與結構的力學計算模型擬合度較好。

圖3 基本組合下的彎矩云圖

根據《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》[1]的要求，水池構件應進行準永久組合下的裂縫寬度驗算。由于污泥濃縮池的防水等級為二級，根據規范要求，最大裂縫寬度限值wmax≤0.20mm。按正常使用極限狀態計算時，污泥濃縮池的壁板和底板在準永久組合下，最不利的位移云圖分布如圖4所示。

圖4 準永久組合下的裂縫云圖

通過水池的裂縫云圖可以看出，壁板的較大裂縫主要分布在壁板的底部區域，裂縫最大值為0.19mm；底板的較大裂縫主要分布在底板四周邊緣區域，裂縫最大值為0.17mm；均滿足規范要求。

由于地下水的抗浮設計水位高于污泥濃縮池的底板標高，所以應進行水池的抗浮驗算：安全系數K=∑Gik/(qA)=5451.93/1551.70=3.514＞1.1，滿足規范要求。

最后，還需進行水池的抗震計算。由于污泥濃縮池徑高比比較大，在地震作用下，池壁的空間作用不顯著，而且污泥濃縮池沒有頂板，力學模型可簡化為池壁上端自由的懸臂結構，結構剛度相對較小，因此在實際工程中，污泥濃縮池的震害相對較少。本工程算例位于7 度區，設防烈度相對較低，在滿足結構抗震構造措施的前提下，可不進行地震作用的驗算[2-3]。水池結構的抗震構造措施包括：受拉鋼筋的錨固長度、壁板跟底板的配筋率等等，詳見SH/T 3132—2013《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》[1]的相關要求。

根據上述計算數據，對池壁與底板進行配筋計算，計算結果詳見表3。鋼筋計算面積的單位為mm2/m。

表3 配筋表

根據配筋表繪制污泥濃縮池配筋結構圖，詳見圖5。池體受力鋼筋的材質均為HRB400，構造鋼筋的材質為HPB300。

圖5 污泥濃縮池配筋圖

4 結束語

本文基于世紀旗云軟件中的水池計算模塊，對污泥濃縮池進行了三維有限元模擬與計算，計算工況包括：持久設計工況（正常操作）、短暫設計工況（蓄水試驗）、地震設計工況。并對以上工況分別進行了荷載頻次組合計算，然后根據計算結果對污泥濃縮池的壁板與底板配筋包絡設計，并繪制結構配筋圖。在設計過程中發現：污泥濃縮池的配筋主要取決于以下兩方面。

（1）承載能力極限狀態：基本組合下的最不利彎矩起控制作用。

（2）正常使用極限狀態：準永久組合下的裂縫起控制作用。