专利名称：卵形消化池静动力分析方法
技术领域：
本发明属于结构工程领域，特别涉及一种高可靠性的消化池静力及动力分析方法。
背景技术：
污泥消化池是采用活性污泥法的大型污水处理厂工艺流程中的主体构筑物之一。通常，消化池基本上由集气罩、池盖、池体、下锥体四部分组成，并附设搅拌及加温设备。消化池容量大，内气压较高，建后常年满水，水位高达10m以上，对于大型消化池来说，其水位甚至可高达30m以上。
在给排水构筑物中，消化池分为柱形消化池和卵形消化池。由于卵形消化池内壁均匀光滑、池底面积较小、有很好的受力性能、池体上部空间狭小、单位容积表面积小及容易实现施工的连续性，因此卵形消化池比柱形消化池存在很大的优越性。因此，与柱形消化池相比，卵形消化池不仅功能齐全，而且结构形式受力合理，有利于污水系统的正常运转，并且能够大大地提高工作效率。但是，卵形消化池结构形状特殊，重量大，受力形式复杂，给计算和设计提出更高的要求。无粘结预应力技术的广泛推广和大型计算机软件的应用，使卵形消化池既经济又合理的设计成为可能。
卵形消化池属于特种结构的范畴，它既不同于建筑结构，也有别于水工结构，为其设计提出了较高要求。近年来，对卵形消化池结构的研究和分析越来越受到关注。另外，消化池的抗震性能直接关系到其自身安全及震后周围环境。对于这种重要的给排水构筑物，抗震设计应予以充分重视。
从60年代初期起，德国就开始在大中型城市污水处理厂使用卵形消化池；在日本，从70年代末开始设计建造卵形消化池；美国也是在70年代末开始设计和建造卵形消化池。
国内卵形消化池设计的发展，最初采用预应力绕丝结构的卵形消化池，发展到现在，采用无粘结预应力技术卵形消化池。
目前对于一般的水池结构，设计中常用两种方法一是根据工程实际，简化计算模型，通过查表进行手工计算得到结构内力。而对于卵形消化池，由于其池壁沿高度变化的曲线比较复杂，而且池壁各高度处的厚度不同，使公式的推导非常繁琐，至今没有现成的计算公式和表格可供应用。二是利用大型计算分析软件，根据实际的结构形式和边界条件，建立符合实际情况的数学模型，进行电算。这种方法要求设计者有良好的数学和有限元功底，尤其在处理边界条件时，对设计人员的要求较高，这种方法也是计算消化池时首先要考虑的方法。
综上所述，有必要利用现有大型有限元分析软件，将预应力转化成等效荷载作用于池壁，对卵形消化池这种特殊结构建立合理的数学模型，进行内力分析，包括静、动力分析。给出与工程实际相匹配的参数，其中包括相匹配的静力参数与动力参数；得出较为可靠的分析结果，从而为实际的工程设计提供可靠的计算和分析依据。
发明内容
本发明大型卵形消化池静动力分析方法解决了卵形消化池预应力荷载的等效转化的技术问题，从而克服了现有技术中由于其等效转化方法不能量化，因此，不能正确的指导消化池的设计，给消化池的日后正常使用带来了诸多不确定因素，诸如不能给出与实际情况相符的、横向和竖向预应力产生的恒荷载作用，也就不能准确得出消化池竖向弯矩值，导致池壁容易产生开裂。
为了解决上述技术问题，本发明卵形消化池静动力分析方法予以实现的技术方案是，包括以下步骤确定消化池的结构、材料及地质参数；定义消化池的载荷及取值范围；基于ANSYS系统中的板壳单元和三维块体单元建立并计算该消化池的简化模型；确定消化池载荷及工况的组合；将每束预应力钢筋的压力分别折算成该束钢筋作用范围内的均布压力；预应力荷载的等效转化，将环向预应力钢筋的内力转化成等效外荷载；近似用线性插值计算各个单元中点处的等效压力；对消化池在荷载标准值作用下的内力进行分析；对卵形消化池在设计值作用下的受力进行分析；输入地震波，采用三维整体建模的方法对上述卵形消化池的简化模型进行动力分析，得出卵形消化池的动力特性。
本发明卵形消化池静动力分析方法中，可以得出卵形消化池在空池和满池两种状态下的振型和频率，其前十阶振型包括振型1是左右摆动；振型2是前后摆动；振型3是0度和90度方向膨胀压缩；振型4是45度和135度方向膨胀压缩；振型5是扭动；振型6是0度和60度方向膨胀压缩；振型7是30度和90度方向膨胀压缩；振型8是上下胀缩；振型9是22.5度和67.5度方向膨胀压缩；振型10是0度和45度方向膨胀压缩。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是由于能准确地模拟出由横向和竖向预应力筋产生的对池壁的环向力、竖向力，因此能得出消化池在空池下的工况下由预应力产生的池壁竖向弯矩，从而避免池壁产生由于竖向弯矩值计算失准而造成的开裂现象。
图1是卵形消化池结构剖面图； 图2是卵形消化池计算模型示意图； 图3是预应力钢筋地内力转化为等效压力作用于卵形消化池池壁地受力图； 图4-1和图4-2是池壁在重力作用下其内力沿高度变化曲线； 图4-3和图4-4是池壁在重力和水压载荷组合下其内力沿高度变化曲线； 图4-5和图4-6是池壁在重力、水压和气压载荷组合下其内力沿高度变化曲线； 图5-1至图5-4是池壁的预应力钢筋等效载荷作用下的内力变化曲线； 图6-1是在图5-1预应力钢筋作用下对池壁产生的应力抵消程度示意图； 图6-2是在图5-2预应力钢筋作用下对池壁产生的应力抵消程度示意图； 图7-1至图7-4是池壁在重力和预应力载荷组合下内力沿高度变化曲线； 图8-1至图8-4是池壁在重力、预应力和水压载荷组合下内力沿高度变化曲线； 图9-1至图9-4是池壁在重力、预应力、水压和气压载荷组合下内力沿高度变化曲线； 图10-1至图10-4是池壁在重力、预应力、水压、气压和温度载荷组合下内力沿高度变化曲线； 图11-1至图11-4是预应力等效荷载以二次曲线的形式施加的内力图； 图12-1是卵形消化池在重力作用下的变形图； 图12-2是卵形消化池在预应力作用下的变形图； 图12-3是卵形消化池在重力和预应力载荷组合作用下的变形图； 图12-4是卵形消化池在重力、预应力和水压载荷组合作用下的变形图； 图12-5是卵形消化池在重力、预应力、水压和气压载荷组合作用下的变形图； 图12-6是卵形消化池在重力、预应力、水压、气压和温度载荷组合作用下的变形图； 图13-1至图13-10是卵形消化池前十阶振型图； 图14是本发明卵形消化池静动力分析方法的流程图。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图14所示，本发明卵形消化池静动力分析方法包括以下步骤确定消化池的结构、材料及地质参数；定义消化池的载荷及取值范围；基于ANSYS系统中的板壳单元和三维块体单元建立并计算该消化池的简化模型；确定消化池载荷及工况的组合；将每束预应力钢筋的压力分别折算成该束钢筋作用范围内的均布压力；预应力荷载的等效转化，将环向预应力钢筋的内力转化成等效外荷载；近似用线性插值计算各个单元中点处的等效压力；对消化池在荷载标准值作用下的内力进行分析；对卵形消化池在设计值作用下的受力进行分析；输入地震波，采用三维整体建模的方法对上述卵形消化池的简化模型进行动力分析，得出卵形消化池在空池和满池两种状态下的振型和频率，其前十阶振型包括振型1是左右摆动；振型2是前后摆动；振型3是0度和90度方向膨胀压缩；振型4是45度和135度方向膨胀压缩；振型5是扭动；振型6是0度和60度方向膨胀压缩；振型7是30度和90度方向膨胀压缩；振型8是上下胀缩；振型9是22.5度和67.5度方向膨胀压缩；振型10是0度和45度方向膨胀压缩。
为了便于对本发明作进一步的描述，下述实施例中所涉及到的工程概况(即，设定的消化池的结构)是用作污水处理厂中的一座卵形消化池，池体采用无粘结预应力钢筋混凝土结构。整个消化池包括上部池壁壳体和下部台阶式桩承台块体两部分。池体总高度为44.69m，地上32.69m，埋深12m，最大直径24m。池壁为壳体结构，顶部为400mm厚的锥壳，腹部为厚度自上而下由400mm均匀变至700mm的卵壳。设计水位取锥壳和卵壳交界向上1.1m，水位标高为33.29m，水深39.79m。该消化池剖面如图1所示. 1.确定该卵形消化池材料性能的基本参数 用于消化池上的材料主要为混凝土、无粘结预应力钢筋、普通钢筋，池壁采用C40混凝土，基础采用C30混凝土，无粘结预应力钢筋采用7Φ5的钢绞线，普通钢筋采用HPB235(φ)和HRB335(Φ)，混凝土和无粘结预应力钢筋的材料参数见表1。锚具采用OVMZ15-X专用锚具，无粘结预应力钢绞线张拉时采用千斤顶张拉，张拉方法为后张法。
表1材料参数 2.确定动力分析中所用到的材料参数和地质资料 具体数据分别见表2和表3。
表2动力分析所需的材料参数 表3地质资料 3、确定荷载取值及工况组合 (1)荷载取值 作用在消化池上的荷载分为两类，分为永久荷载和可变荷载。结构自重、水池内的盛水压力、结构的预加应力属于永久荷载；作用在消化池上的气压、温(湿)度变化属于可变荷载。
各种荷载的取值及其作用位置如下 自重钢筋混凝土的自重取25kN/m3； 气压气压分为工作气压和试验气压，其大小和作用位置根据工艺要求确定。该消化池工作气压取6.0kPa，试验气压取工作气压的1.5倍，即9.0kPa，气压均匀分布，作用于整个消化池的内壁； 水压力水池内的水压力应按设计水位的静水压力计算。对于污水处理水池，污水的重力密度取10.5kN/m3，设计水位取锥壳和球壳交界向上1.1m，水位标高为33.290m，水深39.790m，按照三角形分布，垂直于消化池内壁。
温度污泥消化池工艺采用中温消化(33℃～35℃)，这使消化池池壁及顶板产生热胀冷缩变形，同时因池壁内外温差所引起的变形，而当这些变形受到约束时，就在池体中产生应力。根据规范要求，池壁温差取10℃。
预应力作用在水池结构构件上的预应力标准值，应按预应力钢筋的张拉控制应力值扣除相应张拉工艺的各项预应力损失采用。
(2)工况组合 水池结构构件，应按照承载能力极限状态计算，除结构整体稳定验算外，其余均采用分项系数设计表达式。并应满足下式 γ0S≤R (1) γ0——结构重要性系数。一般情况下水池安全等级取二级，γ0取1.0； S——作用效应组合设计值； R——结构构件抗力设计值。
作用效应组合设计值S应满足 S＝γG1CG1G1k+γG(CwFwk+CpFpk)+ψcγQ(CgasFgask+CtFtk)(2) γG1——消化池自重分项系数，取1.2；当对结构有利时，取1.0； CG1——消化池自重效应系数； G1k——消化池自重标准值； γG——作用在消化池上的水压和预应力的分项系数，对结构不利时取1.27；对结构有利时取1.0； Cw——池内水压力效应系数； Fwk——池内水压力标准值； Cp——预加应力效应系数； Fpk——预加力标准值； γQ——作用在消化池上的气压和温度的分项系数，取1.40； ψc——两种或两种以上可变作用的组合系数，取0.9； Ct——温(湿)度作用效应系数； Ftk——温(湿)度作用标准值。
按照承载能力极限状态计算时，作用效应基本组合设计值应根据水池形式及其工况取不同的作用项目组合。对于地面水池，内力分析必须考虑施工阶段、正常使用阶段、闭水闭气试验阶段的各种可能出现的荷载，需要考虑的荷载组合情况如下 重力+水压+气压(标准值组合，用于计算预应力钢筋) 重力+预应力(空池时产生竖向弯矩的最不利荷载组合) 重力+预应力+水压(闭水试验时的荷载组合) 重力+预应力+水压+气压(闭水闭气试验时的荷载组合) 重力+预应力+水压+气压+温度(正常使用阶段的荷载组合) 4.本发明对上述实例所进行的模型的建立、预应力荷载的等效、形消化池在设计值作用下的受力分析 (1)计算模型 刚性地基上的计算模型，如图2所示，用ANSYS系统软件进行内力计算和分析，池壁采用壳体单元，基础采用实体单元，在基础底面上灌注桩的位置施加固定约束。计算模型的用途是消化池的静力分析；消化池地震反应分析。
(2)、预应力钢筋等效荷载的转化 预应力钢筋对消化池在水压作用下产生的环向位移有约束作用，钢筋产生足够的环向压力，可以抵消水压产生的环向拉力，其效果相当于作用于池壁外侧的均布压力。
如何将预应力钢筋的内力转化为等效压力作用于消化池的池壁，是本发明中的一个问题。由于消化池形状为卵形，水平直径沿高度均匀变化，不同于直径为常数的圆柱消化池，故，需要将每束预应力钢筋的压力分别折算成该束钢筋作用范围内的均布压力。
取内径与外径之比接近1的薄壁旋转筒，如图3中的(a)所示，外侧作用有均布压力p。取高度为dz的圆台，该段曲面薄壁筒可以近似视为圆台侧面受均布力作用，如图3中的(b)和(c)所示，尺寸为平均半径R、厚度t，外壁与水平面夹角为α，圆环的角度从β1到β2。薄壁圆筒在外侧均布压力p的作用下，在圆周方向产生环向应力σθ，半径方向产生径向应力σr。径向应力从池壁外侧的-p变为池壁内侧的0，在壁厚非常薄的情况下，σr与σθ比较起来非常小，故，σr常常忽略不计，且假定σθ在截面内均匀分布，则，高度方向截面上的集中力T为σθ与截面面积的乘积。
设y坐标轴为扇形圆环的对称轴，取一微段dβ，作用于dβ段上的力为 dP＝pRlcos(α)dβ(3) 作用于β1-β2扇形圆环上的力为 考虑到圆环上y方向的受力平衡，且β2＝180-β1，则 公式(5)简化为 2pRlcos(α)cos(β1)＝2Tcos(β1) (6) 即pRlcos(α)＝T T—长度l范围内所有预应力钢筋的环拉力(N/m2) 这里， T＝Ay·(σcon-∑σli) Ay—长度l范围内所有预应力钢筋的截面面积(mm2) σcon—预应力钢筋的张拉控制应力(N/mm2) ∑σli—预应力钢筋总的预应力损失(N/mm2) 预应力钢筋的等效压力 R——l范围内池体环向水平半径，取平均值(m)； α——壳体法向与水平面的夹角。
通过以上计算，环向预应力钢筋的内力转化成等效外荷载。
为使该等效荷载方便施加在ANSYS模型中，近似用线性插值计算各个单元中点处的等效压力。
径向预应力筋对卵形消化池壳体产生的径向压力也按上述方法等效成均布的侧压力；另外，由于竖向预应力筋非连续，故在锚固端、张拉端应施加相应的节点力，节点力的大小由径向预应力筋面积及有效预应力值的乘积决定，方向与端部预应力筋一致。
(3)卵形消化池在荷载标准值作用下的内力分析 消化池池壁采用C40混凝土，由于混凝土属于脆性材料，在环拉力作用下很容易开裂，解决裂缝的有效措施是在池壁配置环向预应力钢筋，也就是说，预应力钢筋的截面面积由裂缝控制，即，由标准荷载组合作用下池壁的环拉力决定。
在标准荷载作用下，池壁可能出现的荷载组合情况包括 1.重力 2.重力+水压 3.重力+水压+气压 在上述这三种荷载组合下，消化池的内力沿高度变化曲线如图4-1至图4-6所示。其中，图4-1和图4-2是池壁在重力作用下其内力沿高度变化曲线，图4-3和图4-4是池壁在重力和水压载荷组合下其内力沿高度变化曲线，图4-5和图4-6是池壁在重力、水压和气压载荷组合作用下其内力沿高度变化曲线。由图可见，当重力单独作用时，消化池竖向完全受压，而且随着高度的降低，压力以二次曲线的形式逐渐增大，最大值发生在池壁与基础交界的位置。消化池的环向，在中间段受拉，其它段受压。当消化池内注水后，消化池的受力发生了很大的变化，范围内由压力变为拉力，环向整个高度内受拉力。气压的作用使注水后的消化池环拉力增大，位置接近重力和水压作用的情况，气压对竖向力影响不太大。三种荷载组合情况下，消化池池壁竖向弯矩和环向弯矩沿高度变化的趋势相同，在上部大约3/4范围内几乎不存在受弯状态，只在池壁下部一小段内产生使池壁外侧受拉的弯矩，环向弯矩远远大于竖向弯矩，最大环向弯矩大约是6倍同位置处的竖向弯矩。当水压作用后，不论是竖向弯矩还是环向弯矩，都增大了很多。可见，对消化池受力起主要作用的外荷载是水压，重力产生的内力比较小，大约为水压作用后的1/12，气压所起的作用更小，但是考虑到重力和气压都使消化池产生环向拉力，增大了水压作用下产生的环拉力。
(4)卵形消化池在设计值作用下的受力分析 ①卵形消化池在预应力等效压力作用下的内力 预应力钢筋的等效压力沿高度呈现为阶梯形，将其作用于消化池池壁，池壁内力变化曲线如图5-1至图5-4所示。其中，图5-1是环向力图，图5-2是竖向力图，图5-3是环向弯矩图，图5-4是竖向弯矩图， 由图5-1和图5-2可见，不论在环向还是在竖向，预应力等效荷载对池壁产生巨大的压力，环向压力的最大值发生在地面以上的中下部范围内。预应力钢筋产生的压力足以抵消重力和水压在池壁产生的拉力，进而防止池壁开裂。抵消程度见图6-1和图6-2所示。
由图5-3和图5-4可见，由于预应力等效荷载的阶梯性，在消化池池壁上部产生没有规律的弯矩，但是该弯矩很小，对池体受力没有太大的影响。在池体下部一定范围内，预应力钢筋产生使消化池内侧受拉的弯矩，而且竖向弯矩远大于环向弯矩。
②卵形消化池在各荷载工况下的受力分析 各工况组合的荷载值为设计值，水压以固定的斜率垂直作用于池壁，预应力等效荷载以阶梯形式作用。消化池在上述荷载组合的作用下，池壁主要产生四种轴对称的内力，包括环向力、竖向力、环向弯矩、竖向弯矩。内力沿高度的变化曲线如图7-1至图7-4所示。
由图7-1至图7-4、图8-1至图8-4、图9-1至图9-4和图10-1至图10-4四组内力沿高度变化曲线图可见，消化池没有预应力作用时，池壁环向受拉，竖向部分受拉部分受压；上部壳体弯矩非常小，下部池壁与基础刚性连接，壳体弯矩较大。预应力钢筋对消化池的受力影响很大，在消化池环向和径向产生巨大的压力，抵消了壁内的水压、重力、气压等在池壁上产生的拉力，且保留了一部分预压力，避免了池壁在外荷载产生的拉力作用下开裂；预应力作用后，使消化池底部的弯矩减小，增大了消化池池壁的抗弯能力。
将上述四组内力沿高度变化曲线图进行比较可以看出，不论环向力还是竖向力，空池时消化池受压最严重，池壁内侧受弯的弯矩也最大，可见最不利的荷载组合之一为重力和预应力共同作用的空池情况。当温度作用后，消化池池壁的内力变化也很大，预应力钢筋产生的一部分环向压力几乎被完全抵消，不论是环向弯矩还是竖向弯矩，都使消化池池壁外侧受弯，而且在所有工况组合中达到最大值，远远超过其它荷载工况组合下的情况，可见，温度作用的情况也是一种最不利的荷载组合情况。由于池体底部在不同的荷载工况组合下弯曲的方向不同，配筋时要多加注意，要综合考虑结构两个方向的内力。
如果预应力等效荷载以二次曲线的形式施加，均匀的外荷载使消化池池壁内力变化曲线变得更加光滑，更加均匀，减少突变，减少由内侧受弯到外侧受弯的转折点，而且大部分范围内消化池的弯矩非常小，预应力等效载荷以二次曲线形式施加的内力图见图11-1至图11-4所示。其中图11-1是环向力图，图11-2是竖向力图，图11-3是环向弯矩图，图11-4是竖向弯矩图，由图可见，消化池池壁弯矩由预应力钢筋决定，如果要提高池壁的抗弯性能，在配置池壁预应力钢筋时，尽可能在满足施工便利的条件下，使预应力钢筋的规格和间距变化均匀，使钢筋的等效荷载接近二次曲线。
③卵形消化池在各种荷载工况下的变形 消化池在各种荷载工况下的变形呈现为轴对称，预应力钢筋的施加抵消一部分由水压、气压、重力、温度等共同作用使消化池向外膨胀的变形。卵形消化池在外荷载作用下的各种变形如图12-1至图12-6所示。由图可见，预应力钢筋的作用，使消化池近2/3的位置向池内压缩，预应力钢筋的配置越大，压缩量越多，预应力钢筋产生的压缩可以超过或接近重力、水压、气压产生的膨胀，而温度产生的膨胀是最大的，预应力钢筋的作用只能减小这部分的膨胀，而不能完全抵消这部分膨胀，非预应力钢筋的作用可以减小温度的影响。
5.卵形消化池的动力分析，得到卵形消化池的动力特性 由ANSYS模态分析获得卵形消化池在空池和满池两种状态下的振型和频率，由于两种情况质量的差异，使其频率差别较大，前十阶振型一致，其前十阶自振频率如表4所示，前十阶振型如图13-1至图13-10所示。
表4卵形消化池的自振频率和周期 图13-1至图13-10所示的前十阶振型图分别如下 振型1——左右摆动； 振型2——前后摆动； 振型3——0度90度方向膨胀压缩； 振型4——45度135度方向膨胀压缩； 振型5——扭动； 振型6——0度60度方向膨胀压缩； 振型7——30度90度方向膨胀压缩； 振型8——上下胀缩； 振型9 22.5度67.5度方向膨胀压缩； 振型10 0度45度方向膨胀压缩。
尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。
权利要求
1.一种卵形消化池静动力分析方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤一确定消化池的结构参数、材料参数及地质参数；
步骤二定义消化池的载荷及取值范围；
步骤三基于ANSYS系统中的板壳原则和三维块体的方式建立并计算该消化池的简化模型；
步骤四对上述卵形消化池的简化模型进行静力分析
(4-1)确定消化池载荷的组合情况；
(4-2)确定工况的组合，并同时满足下述公式(1)和公式(2)
水池结构构件，应按照承载能力极限状态计算，除结构整体稳定验算外，其余均采用分项系数设计表达式。并应满足下式
γ0S≤R (1)
γ0——结构重要性系数。一般情况下水池安全等级取二级，γ0取1.0；
S——作用效应组合设计值；
R——结构构件抗力设计值。
作用效应组合设计值S应满足
S＝γG1CG1G1k+γG(CwFwk+CpFpk)+ψcγQ(CgasFgask+CtFtk)(2)
γG1——消化池自重分项系数，取1.2；当对结构有利时，取1.0；
CG1——消化池自重效应系数；
G1k——消化池自重标准值；
γG——作用在消化池上的水压和预应力的分项系数，对结构不利时取1.27；对结构有利时取1.0；
Cw——池内水压力效应系数；
Fwk——池内水压力标准值；
Cp——预加应力效应系数；
Fpk——预加力标准值；
γQ——作用在消化池上的气压和温度的分项系数，取1.40；
ψc——两种或两种以上可变作用的组合系数，取0.9；
Ct——温(湿)度作用效应系数；
Ftk——温(湿)度作用标准值；
(4-3)预应力荷载的等效转化
由于消化池形状为卵形，水平直径沿高度均匀变化，不同于直径为常数的圆柱消化池，故，需要将每束预应力钢筋的压力分别折算成该束钢筋作用范围内的均布压力；
取内径与外径之比接近1的薄壁旋转筒，外侧作用有均布压力p；
取高度为dz的圆台，该段曲面薄壁筒可以近似视为圆台侧面受均布力作用，尺寸为平均半径R、厚度t，外壁与水平面夹角为α，圆环的角度从β1到β2；
薄壁圆筒在外侧均布压力p的作用下，在圆周方向产生环向应力σθ，半径方向产生径向应力σr；
径向应力从池壁外侧的-p变为池壁内侧的0，在壁厚非常薄的情况下，σr与σθ比较起来非常小，故，σr常常忽略不计，且假定σθ在截面内均匀分布，则，高度方向截面上的集中力T为σθ与截面面积的乘积；
设y坐标轴为扇形圆环的对称轴，取一微段dβ，作用于dβ段上的力为
dP＝pRlcos(α)dβ (3)
作用于β1-β2扇形圆环上的力为
考虑到圆环上y方向的受力平衡，且β2＝180-β1，则
公式(5)简化为
2pRlcos(α)cos(β1)＝2Tcos(β1) (6)
即pRlcos(α)＝T
T—长度l范围内所有预应力钢筋的环拉力(N/m2)
这里，T＝Ay·(σcon-∑σli)
Ay—长度l范围内所有预应力钢筋的截面面积(mm2)
σcon—预应力钢筋的张拉控制应力(N/mm2)
∑σli—预应力钢筋总的预应力损失(N/mm2)
预应力钢筋的等效压力
R——l范围内池体环向水平半径，取平均值(m)；
α——壳体法向与水平面的夹角；
通过以上计算，环向预应力钢筋的内力转化成等效外荷载；
为使该等效荷载方便施加在ANSYS模型中，近似用线性插值计算各个单元中点处的等效压力；
径向预应力筋对卵形消化池壳体产生的径向压力也按上述方法等效成均布的侧压力；另外，由于竖向预应力筋非连续，故在锚固端、张拉端应施加相应的节点力，节点力的大小由径向预应力筋面积及有效预应力值的乘积决定，方向与端部预应力筋一致；
(4-4)卵形消化池在荷载标准值作用下的内力分析；
(4-5)卵形消化池在设计值作用下的受力分析；
步骤五输入地震波，采用三维整体建模的方法对上述卵形消化池的简化模型进行动力分析，由ANSYS模态分析获得卵形消化池的动力特性。
2.根据权利要求1所述的卵形消化池静动力分析方法，其中，所述计算模型是在刚性地基上的计算模型，用ANSYS系统进行内力计算和分析，所述消化池的池壁采用壳体单元，所述消化池的基础采用实体单元，并在基础底面上灌注桩的位置处施加固定约束。
3.根据权利要求1所述的卵形消化池静动力分析方法，其中，所述该消化池载荷的组合情况是
标准值组合，以用于计算预应力钢筋，其组合由重力+水压+气压形成；
空池时，产生竖向弯矩的最不利荷载组合，其组合由重力+预应力形成；
闭水试验时的荷载组合，其组合由重力+预应力+水压形成；
闭水、闭气试验时的荷载组合，其组合由重力+预应力+水压+气压形成；
正常使用阶段的荷载组合，其组合由重力+预应力+水压+气压+温度形成。
4.根据权利要求1所述的卵形消化池静动力分析方法，其中，所述步骤四中的卵形消化池在设计值作用下的受力分析包括
卵形消化池在预应力等效压力作用下的内力；
卵形消化池在各荷载工况下的受力分析；
卵形消化池在各种荷载工况下的变形。
5.根据权利要求1所述的卵形消化池静动力分析方法，其中，所得出的卵形消化池的动力特性是在空池和满池两种状态下的振型和频率，其前十阶振型如下
振型1是左右摆动；
振型2是前后摆动；
振型3是0度和90度方向膨胀压缩；
振型4是45度和135度方向膨胀压缩；
振型5是扭动；
振型6是0度和60度方向膨胀压缩；
振型7是30度和90度方向膨胀压缩；
振型8是上下胀缩；
振型9是22.5度和67.5度方向膨胀压缩；
振型10是0度和45度方向膨胀压缩。
全文摘要
本发明公开了一种卵形消化池静动力分析方法，包括以下步骤确定消化池的结构、材料及地质参数；定义消化池的载荷及取值范围；基于ANSYS系统中的板壳单元和三维块体单元建立并计算该消化池的简化模型；确定消化池载荷及工况的组合；将每束预应力钢筋的压力分别折算成该束钢筋作用范围内的均布压力；预应力荷载的等效转化，将环向预应力钢筋的内力转化成等效外荷载；近似用线性插值计算各个单元中点处的等效压力；对消化池在荷载标准值作用下的内力进行分析；对卵形消化池在设计值作用下的受力进行分析；输入地震波，采用三维整体建模的方法对上述卵形消化池的简化模型进行动力分析，得出卵形消化池的动力特性。
文档编号G06F17/50GK101211378SQ20071006016
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月25日 优先权日2007年12月25日
发明者海 高, 高家增, 纪政国, 张建华, 史志利, 张雪梅, 鲁航线, 赵晓飞, 宽 段, 博 高, 宋红玉, 王洪云, 王秀朵 申请人:天津市市政工程设计研究院