基于ANSYS的某黏结预应力混凝土沉淀池设计优化研究

王学勇

(天水市水务局，甘肃 天水 741000)

水处理是目前解决水资源短缺的一种重要手段，解决水处理问题是许多水利工程师面临的重要挑战，沉淀池作为重要污水处理工具被许多城市广泛使用，为解决污水沉淀问题发挥了重要作用，沉淀池设计必须要考虑结构稳定性与安全运营[1- 2]。国内外目前已有诸多学者或工程师通过研究沉淀池原材料，提升原材料性能，来打造最安全最可靠最优化的沉淀池结构。原材料从钢结构到混凝土结构，当预应力技术在水工建筑结构领域被使用，预应力混凝土亦被广泛应用[3- 6]。基于有限元数值软件，解决结构中应力值求解[7- 9]，优化预应力混凝土施工方案，提升沉淀池结构设计安全运营效率，这是目前提升沉淀池污水处理效率的重要工程措施。

1 工程概况

某沉淀池工程位于西北某地区，为当地工农业用水的沉淀过滤提供保障，设计使用年限50a，外形为空心圆柱设计，其中尺寸设计为内径65m，外径65.5m，高出地面标高32.5m，设计采用黏结预应力混凝土浇筑施工，沉淀池底部铺设有0.3m厚的防渗垫层，材料为止水薄膜，剖面如图1所示。本工程中沉淀池建筑物为Ⅰ级标准施工设计，在基础施工时添加抗震支座，场地周期稳定在0.38s。前期工程地质勘察表明，施工场地属于河流冲积平原，上覆土层为第四系堆积形成，包括有粉土、砂土及部分砂砾石，其中粉土层厚度最厚处约5m，在建筑物南侧地区土层较薄，砂土层与砂砾石混杂，厚度约为2～5m，基岩位于河床以下18m，中粗颗粒结构的灰岩，局部夹有破碎带，存在黏土质胶结。根据现场原位试验得知，土层液化不明显，地基标准承载力为185kPa。由于场地承载力及部分黏土层沉降过大，影响沉淀池稳定性，故需对地基人工处理，采用填土换层形式，将沉淀池地坪标高以下3m范围内土层以砂砾石作为主要承载土层，并夯实处理；另一方面，基岩层以上4m范围内以人工回填杂土作为主要土层，保证承载力特征超过150MPa。

为了保证沉淀池上部结构稳定性，以黏结预应力混凝土作为原材料，在距施工现场3km处的搅拌站制作后，运输至施工现场。沉淀池壁设计8个锚固弯钩，每个弯钩弧度为4°，宽度设计0.4m。预应力池壁直接与沉淀池基础接触面设计0.02m厚止水垫片，基础采用钢筋混凝土结构，基础墙高度为2.5m，垫层为C20素混凝土，厚度0.1m。沉淀池壁设计立面图如图2所示。

图1 沉淀池结构剖面(标高单位：m，长度单位：mm)

图2 沉淀池结构立面图(标高单位：m，长度单位：mm)

2 有限元模型建立与设计参数

本文有限元模拟分析利用ANSYS数值软件，其中混凝土材料等利用SOLID45单元体，以Link系统作为黏结混凝土连接线，以耦合技术连接预应力混凝土与基础地面等其他结构部分，按照实际工程资料显示岩土层建立上覆边界荷载及约束力。建成模型后共划分出148658个微单元体，节点数134827个，其中黏结预应力混凝土池壁占比21%，土体结构占比63.4%，数值模型建成后如图3所示。

图3 数值模型

依据材料力学理论可知，预应力混凝土受拉伸应力时应保证内部裂缝不产生二次裂隙，即不发生裂纹的延伸或扩展。预应力混凝土应力应变变化曲线如图4所示。

图4 混凝土应力应变曲线

混凝土拉伸荷载下本构方程为：

σ=(1-ht)Eε

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，αt—下降段线性参数；ft，x—抗拉强度；εt，x—峰值拉伸应变；ht—损伤变量系数。

同理，压缩荷载下本构方程为：

σ=(1-hc)E′ε

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，αc—压缩曲线下降段线性参数；ft，x—抗压强度；εt，x—峰值压缩应变；hc—压缩损伤变量系数。

另一方面由于是黏结预应力混凝土，故需考虑黏结铰链线(钢筋)应力变形特性，其中黏结铰链线(钢筋)本构方程为：

(10)

式中，Ee—弹性模量；ε′—应变值；fn，ε—屈服强度；εn、εm—屈服应变与起裂应变；k—屈服段斜率。

黏结预应力混凝土模型中不可避免需要考虑每部分结构孔洞偏差系数(Z)与流动摩擦系数(U)，国内外诸多学者或工程师已专注研究了此2类参数对预应力混凝土性能影响，并获得了不同固化时间或不同系数取值对预应力张拉特性影响规律[10]。孔洞偏差系数(Z)与流动摩擦系数(U)分别与张拉时间段关系曲线如图5所示。从图5中可知，孔洞偏差系数(Z)随张拉时间拉长而持续增大，在张拉时间点75～90d时，增幅超过1个量级；流动摩擦系数(U)随张拉时间点亦在第75d时发生典型突变，前期流动摩擦系数或不变或减小，在第75d之后，爬升式增长。

图5 孔洞偏差系数与流动摩擦系数与张拉时间关系

预应力混凝土在数值软件中施加预应力时处于理想状态下，而在实际建设沉淀池过程中，不可避免会造成一部分预应力损耗，因而需要考虑预应力损耗。根据本工程实际资料，考虑3部分预应力损耗，一部分为摩擦损耗，即

σλ2=σc(1-exp(x+μθ))

(11)

式中，x—计算截面与张拉间距；θ—张拉面与半径切线之间夹角。

一部分为钢绞线松弛应力损耗，即

(12)

另一部分为混凝土自身收缩裂隙消耗的预应力，以下式作为计算方法：

(13)

(14)

式中，σn′、σm′—拉应力、压应力区域内法向应力；fr、fr′—拉应力、压应力区域内抗压强度；ρ、ρ′—拉应力、压应力区域内配筋率。

混凝土养护形成与温度息息相关，而本工程又处于西北气候干燥地区，需要考虑温度对预应力混凝土应力特性影响，故而需施加温度荷载，沉淀池壁温差按照下式计算[11]：

(15)

式中，Δd—温差；d—厚度；λ、β—空气、混凝土传热系数；Tx、T0—计算温度与空气实测温度。

3 混凝土沉淀池设计优化分析

3.1 预应力钢筋张拉施工工序优化

沉淀池作为对渗漏密闭性要求较高的水利建筑物，在施工过程中需要考虑张拉应力对混凝土裂缝影响，因而设计最合理科学的施工工序将有助于提升沉淀池工程质量。本文提供了2种预应力张拉施工方案，第一种沿着沉淀池壁逐步往下，依次张拉完成所有预应力钢筋；第二种由沉淀池壁底部至顶部，依次张拉完成预应力钢筋。

图6 沉淀池内外壁环向应力曲线(从顶部至底部)

2种张拉方案沉淀池内外壁应力变化曲线如图6—7所示。从图6—7中可看出，当从上至下逐步张拉时，沉淀池壁内外表面均逐步形成压应力，并随着张拉圈数增大，预应力亦逐步增大，在沉淀池底部，即高度0.0m时，张拉圈数为第5圈的沉淀池内壁应力相比第3圈增长了50%。另一种张拉方案各组张拉应力变化曲线与前一方案类似，但从底部延伸至顶部张拉方案中在沉淀池内壁底部处压应力达到0.2MPa，相比从顶部至底部张拉方案要高0.1MPa左右，分析出现此种现象主要是由于自底部张拉至顶部，为了减少与应力损耗，不可避免需要在张拉开始处增大一定的压应力储备。由此表明，从底部延伸至顶部，会导致沉淀池壁局部区域预应力损耗严重，结构上下应力不均衡，出现局部弯曲变形，因而选择从顶部延伸至底部，依次张拉施工方案更为合理科学。

3.2 沉淀池应力特征分析

自顶部至底部张拉施工方案下沉淀池壁环向应力特征变化如图8所示。从图8中可知，总体态势上沉淀池内外壁环向应力均随高度增大而逐渐减小，压应力范围在1.67～1.87MPa，局部区段出现一定突变现象，例如在高度1.75～2m范围内，沉淀池内表面环向应力增幅超过6%，分析是由于在该区段处设置有蓄水槽，导致局部抗弯截面矩过大，环向应力分布出现增大现象。沉淀池壁断面上竖向应力变化表明，在内壁表面出现有拉应力，且拉应力表现先增大后减小趋势，转折点在高度0.5m处，最大拉应力为0.69MPa，而且在沉淀池内壁底部处初始拉应力即达到0.1MPa，后逐步增大至峰值拉应力。沉淀池壁外表面高度方向应力与内壁表面相反态势，先从拉应力逐渐减小至压应力，压应力随之增大至峰值压应力，达0.9MPa，亦位于高度0.5m处，后随沉淀池高度逐渐减小，直至沉淀池顶部，至0MPa。

沉淀池壁表面径向应力分布云图如图9所示。

图7 沉淀池内外壁环向应力曲线(从底部至顶部)

图8 沉淀池壁应力特征变化

图9 沉淀池壁表面径向应力分布

从图9中可看出，径向方向上不仅仅存在压应力，在蓄水池上下端出现拉应力，但最大拉应力仅有6kPa，存在于沉淀池外蓄水池区域处。池壁断面上整体均处于0.0016MPa的应力分布，量值较低，且整体变动幅度不超过0.1MPa。根据规范要求[12- 13]，黏结预应力钢筋混凝土张拉时需满足最大拉应力低于4.6MPa，而计算获得不论是内外壁环向应力，亦或是径向最大拉应力，均满足设计要求，自顶部延伸至底部张拉施工方案并不会引起混凝土裂缝二次延伸扩展，而影响沉淀池结构稳定性。

3.3 考虑温度影响设计优化

为了考虑温度对黏结预应力混凝土沉淀池影响[14- 15]，本文取冬季-20℃、夏季30℃及不受温度影响的原结构开展对比分析，获得3种不同工况下的沉淀池内外表面环向应力与竖向应力变化曲线。沉淀池壁内外表面原设计结构整体上环向应力均是随高程逐渐增大态势，但考虑温度影响后，不仅仅应力分布从压应力转变成拉应力，且应力变化态势也发生逆转性变化，拉应力随高程增大先增大后减小，且夏季温度高，拉应力值大，在同为高程2m处，沉淀池外表面考虑夏季温度影响的应力值比考虑冬季温度高18.4%。对比沉淀池壁内外表面环向应力可发现，考虑夏季或冬季温度影响的应力变化曲线在同一表面内(内表面或外表面)，其应力值变化曲线趋于一致，同时内外表面在高度0.5m处分别出现各自的最低、最高拉应力值，内表面考虑夏季温度影响的最大拉应力值出现在高度2m处，达0.45MPa，而外表面同等工况下最大拉应力值为0.58MPa，平均拉应力内表面量值比外表面量值大，如图10所示。

从竖向应力变化曲线来看，考虑温度影响的应力变化趋势一致，且相比原设计结构均有显著差异，考虑冬季温度影响沉淀池壁内表面最大压应力为0.88MPa，位于高度0.75m处，考虑夏季温度影响工况下最大压应力亦达到0.88MPa，位于高度0.5m处，但原设计结构最大压应力为0.68MPa，位于高度0.5m处，另外沉淀池壁内表面原设计结构拉应力区间段显著比其他2个考虑温度影响要多，原设计结构内表面拉应力最大为0.58MPa，拉应力区域出现在高度1.6～3.5m段内，而另外2个考虑温度影响的仅仅在高度2m后出现仅为0.1MPa拉应力变化幅度。沉淀池外表面考虑温度影响2个工况下拉、压应力分布与池壁内表面呈相反变化，外表面2个温度影响工况下分布以拉应力区间段为主，压应力分布变化幅度较小，仅有0.005MPa变化，而原设计结构相比温度工况下，变化幅度较明显，其最大压应力达到0.7MPa，且规律趋势性较无序，如图11所示。由此可见，从沉淀池壁环向应力与竖向应力考虑温度影响应力工况可知，沉淀池结构必须设计一定的隔热材料或保温材料，减弱外界温度对沉淀池壁结构应力影响。

4 结论

(1)获得了预应力混凝土沉淀池预应力钢筋张拉施工顺序最优工序，从顶部延伸至底部，依次张拉，可减少预应力损耗，减弱局部混凝土弯曲变形。

(2)获得了沉淀池壁内外表面环向应力均随高度增大而逐渐减小，压应力为1.67～1.87MPa；池壁内、外表面竖向应力中均分布有拉应力，内表面以高度0.5m为分界线，先增大后减小，最大拉应力达0.69MPa；池壁表面径向应力存在拉应力，但最大拉应力仅为0.006MPa。

(3)研究了温度影响下沉淀池壁内表面应力变化特征，温度会造成拉、压应力分布及量值出现显著差异，夏季温度下应力值显著上升；建议应设置隔热层或保温层，减弱外界温度对沉淀池壁结构应力影响。

图10 沉淀池考虑温度影响环向应力变化

图11 沉淀池考虑温度影响竖向应力变化