专利名称：大型柱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：
随着国民经济的发展和人民生活质量的提高，工业、生活用水与实际供水能力之间的矛盾日益尖锐，为了达到节能减排，环境工程已越来越受到人们的重视。由于工业迅速发展，城镇人口激增，污染源增多，而对城市的基础设施建设，尤其是市政工程方面的建设投入不足，环保措施不到位，大量的工业废水及生活用水直接排入市区河道，造成居民生活环境的严重污染。保护城市环境，改善生活质量，促进经济发展，污水处理迫在眉睫，势在必行。污水处理工程不仅可变废为宝，而且是城市环境质量的一种标志和文明的象征。世界上许多发达国家已将其作为资源利用的手段之一，并致力于其研究和应用，城市的污水处理系统变得越来越重要。在污水处理过程中，产生大量的污泥，污泥很不稳定，需要及时处理，以达到资源综合利用、保护环境的目的。污泥处置的费用很高，约占污水处理厂运行费用的20％～50％，而消化池是污泥处置工艺中的主要构筑物。
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。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，大型消化池水位甚至高达30m以上。另外，消化池一般要求保持33～35℃的中温，且消化过程中产生沼气，有一定内气压，所以要求池体结构密闭，不渗水、不漏气，池壁绝对不允许出现裂缝，池外要求做保温。因此，消化池具有体型高、重量大、构造和承载复杂、施工周期长、造价占投资比重高的特点。
在给排水构筑物中，柱形消化池应用最多，该类消化池结构较简单，施工比较方便，最初在污水处理系统中备受青睐，该类消化池主要建在英国、美国，也叫撒克逊型消化池，如图1-1所示。其次是以柱形池壁为主体，上下部分均有锥体组合而成的消化池，主要建在欧洲大陆，称为大陆型消化池，如图1-2所示。这些柱形结构物都是有一个或几个旋转壳体与圆环梁及圆板组合起来的，这些旋转壳体组合结构，能够充分发挥壳体受力性能好、刚度大、节省材料的特点，由于壳体大部分是以轴向受力为主，故能充分发挥全部材料的效能，它能做成较薄的厚度，而且能覆盖较大的面积。
为叙述简便起见，以下我们把上述撒克逊型和大陆型两种消化池统称柱形消化池。如图1-1和图1-2所示。
国内柱形消化池设计的发展史，先后出现的是采用非预应力结构的柱形消化池，采用预应力绕丝结构的柱形消化池，发展到现在的、采用无粘结预应力技术柱形消化池。
消化池的设计与计算主要采用以经验设计为主、以简单的理论验证为辅的手段，这对工程设计人员的设计能力要求较高。设计人员大多凭借工程经验，在建立计算模型时，略去次要因素，比如小洞口的影响、结构上附属物的影响、相似单元类型的模拟、将边界条件简单的区分为铰支或刚接，然后取最大值等等，这些简化导致了较为保守的计算结果，往往是安全系数偏高，各种材料用量偏多，造成一些不必要的浪费。
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，将圆柱壳、圆锥壳、球壳、圆板在各种荷载工况作用下的情况编制内力系数表，对于简单的水池结构，如柱形水池，圆锥形水池等，先通过查表，然后再通过手工计算就可以得到池壁各高度处的内力。在对简单模型进行公式推导方面，国内外研究人员具备了丰富的经验，并且能够保证工程实践所需要的计算精度。而对于柱形消化池，具有体型高、重量大、构造及受力情况复杂的特点。同时，柱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。对柱形消化池结构的研究和分析越来越受到关注。由于结构比较复杂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，只能将整体拆分为环梁、锥壳、卵壳、块体等各个部分，分别考虑各个部分的边界条件，并计算各自的内力，然后再根据刚度条件进行内力组合，这给手工计算带来很大的麻烦，而且容易出错。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，通过计算机来计算。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。
消化池是污水处理厂的关键构筑物，具有体型高、重量大、构造及受力情况复杂的特点。同时，水池结构(包括柱形消化池)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，对消化池结构的研究和分析越来越受到关注。
发明内容
本发明中所称大型柱形消化池是指池容为5000～15000m3的柱形消化池，本发明大型柱形消化池静动力分析方法解决了大型柱形消化池预应力荷载的等效转化克服了现有技术中由于其等效转化方法不能量化，因此，不能正确地指导消化池的设计，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、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，本发明大型柱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参数、材料参数及地质参数；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；对上述大型柱形消化池的简化模型进行静力分析确定消化池载荷的组合情况；确定荷载工况；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； 即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； 设消化池简化模型的y坐标轴为扇形圆环的对称轴，取一微段dβ，则作用于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 其中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) 其中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；进行柱形消化池在荷载标准值作用下的内力分析；进行柱形消化池在设计值作用下的受力分析；输入地震波，采用三维整体建模的方法对上述大型柱形消化池的简化模型进行动力分析，从而得出大型柱形消化池的动力特性。
本发明大型柱形消化池静动力分析方法中，所得出的大型柱形消化池的动力特性是所述大型柱形消化池在空池和满池两种状态下的振型和频率，其前十阶振型如下振型1是0度、120度和240度方向池壁膨胀收缩；振型2是30度、150度和270度方向池壁膨胀收缩；振型3是左右摆动；振型4是前后摆动；振型5是30度、120度、210度和300度方向池壁膨胀收缩；振型6是45度、135度、225度和315度方向池壁膨胀收缩；振型7是45度和225度方向池壁膨胀收缩；振型8是90度和270度方向池壁膨胀收缩；振型9是0度、72度、144度、216度和288度方向池壁膨胀收缩；振型10是54.5度、126.5度、198.5度、270.5度和342.5度方向池壁胀缩。
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预应力筋产生的对大型柱形消化池池壁的环向力，因此能得出该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1-1是撒克逊型消化池示意图； 图1-2是大陆型消化池示意图； 图2是大型柱形消化池结构剖面图； 图3是大型柱形消化池计算模型图； 图4是预应力钢筋的内力转化为等效压力作用于柱形消化池池壁的受力图； 图5是大型柱形消化池池壁在三种荷载组合下的受力图； 图6是大型柱形消化池池顶在三种荷载组合下的受力图； 图7-1、图7-2、图7-3和图7-4分别是在重力、水压和气压标准值共同作用下对池壁的环向力图、竖向力图、环向弯矩图和竖向弯矩图； 图8-1、图8-2、图8-3和图8-4分别是在预应力标准值作用下对池壁的环向力图、竖向力图、环向弯矩图和竖向弯矩图； 图9-1、图9-2、图9-3和图9-4分别是在重力和预应力共同作用下对池壁的环向力图、竖向力图、环向弯矩图和竖向弯矩图； 图10-1、图10-2、图10-3和图10-4分别是在重力、预应力和水压共同作用下对池壁的环向力图、竖向力图、环向弯矩图和竖向弯矩图； 图11-1、图11-2、图11-3和图11-4是分别重力、预应力、水压和气压共同作用下对池壁的环向力图、竖向力图、环向弯矩图和竖向弯矩图； 图12-1、图12-2、图12-3和图12-4是分别重力、预应力、水压、气压和温度共同作用下对池壁的环向力图、竖向力图、环向弯矩图和竖向弯矩图； 图13-1、图13-2、图13-3、图13-4、图13-5和图13-6是大型柱形消化池在各种荷载工况下的消化池的变形图； 图14-1至图14-10是大型柱形消化池前十阶振型图； 图15是本发明大型柱形消化池静动力分析方法流程图。
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15所示，本发明大型柱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；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；对简化模型进行静力分析确定消化池载荷及工况的组合；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；消化池在荷载标准值作用下的内力分析；柱形消化池在设计值作用下的受力分析；输入地震波，采用三维整体建模的方法对简化模型进行动力分析，得出前十阶振型。
采用本发明大型柱形消化池静动力分析方法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大型柱形消化池，池体采用无粘结预应力钢筋混凝土结构。其结构外形(自下而上)由倒圆锥壳、底环梁、圆柱壳、上环梁、球壳等单元构件所组成，每池有效容积达10000m3。消化池基础采用C30混凝土，池壁采用C40混凝土，采用预应力结构。所述消化池剖面图如图2所示。
1.确定该大型柱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两端张拉，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.定义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、柱形消化池在设计值作用下的受力分析、柱形消化池的动力分析 (1)计算模型 刚性地基上的计算模型，如图3所示，用ANSYS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。其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，是本发明中的一个关键问题。
取内径与外径之比接近1的薄壁旋转筒，如图4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，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。
(3)柱形消化池在荷载标准值作用下的内力分析 大型柱形消化池受荷载标准值作用后，池壁和池顶产生内力的规律有很大的差异。图5分别示出了大型柱形消化池池壁在三种荷载组合下的受力，图6分别示出了大型柱形消化池池顶在三种荷载组合下的受力，图5和图6中所示的(a)曲线为重力标准值作用下的受力曲线；(b)曲线是在重力和水压标准值共同作用下的受力曲线；(c)曲线是在重力、水压和气压标准值共同作用下的受力曲线。
对于消化池池壁而言，三种荷载共同作用时池壁的内力最大，而重力和气压产生的力很小，重力在柱形消化池池壁上产生的力相当小，大部分范围内的环拉力接近零。对于池顶，环向力主要由重力控制，由于池顶比较薄，重力小，所以产生的环向力也比较小。消化池在重力、水压和气压标准值共同作用下的内力图见图7-1至7-4所示，其中，图7-1是环向力图，图7-2是竖向力图，图7-3是环向弯矩图，图7-4是竖向弯矩图。可见，在三种荷载组合作用下，柱形消化池池壁环向主要产生环拉力，最大值发生在高度中下部的范围内；径向主要产生压力，该压力呈线性分布，主要由水压决定；环向弯矩和竖向弯矩只发生在中下部靠近底部的范围内。
(4)柱形消化池在设计值作用下的受力分析 ①柱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作用于消化池的池壁，计算后得到的内力图见图8-1至图8-4所示，其中，图8-1是环向力图，图8-2是竖向力图，图8-3是环向弯矩图，图8-4是竖向弯矩图。可见，预应力钢筋对池壁只产生环向压力，不影响池壁竖向受力，其原因是当池壁竖直时，环向预应力钢筋只产生垂直于池壁的均布压力，没有竖向分力。但对于池顶，预应力钢筋不仅产生环向压力，而且产生竖向压力，以抵消其它荷载在池顶产生的竖向拉力。
预应力钢筋在池壁产生的弯矩与其它荷载产生的弯矩方向相反，在底部产生的弯矩使池壁内部受弯，而在池壁根部产生使池壁外部受弯的弯矩。
②柱形消化池在各荷载工况下的受力分析 柱形消化池在各种荷载工况下的受力图见图9至图12所示。其中，图9-1是环向力图，图9-2是竖向力图，图9-3是环向弯矩图，图9-4是竖向弯矩图。可见，预应力钢筋产生的环向压力不仅抵消了其它荷载产生的环向拉力，而且抵消了池壁上的一部分弯矩。
当重力和预应力共同作用时，消化池池壁环向受压；竖向压力主要由重力产生，呈三角形分布；环向弯矩和竖向弯矩沿高度的变化趋势相同，类似预应力单独作用的情况，其中竖向弯矩起控制作用。
由图10-1至图10-4和图11-1至11-4可见，池内加水加气后，消化池的受力变得比较有利，环向竖向均受压，环向弯矩和竖向弯矩都控制在50kN.m/m之内，并且相应高度的弯矩均小于重力和预应力作用的空池情况，空池时的消化池产生内部弯曲的最大弯矩，属于一种最不利的情况。
由图12-1至图12-4可见，温度对消化池的弯矩影响很大，使几乎整个消化池不论在环向还是竖向外侧受拉，竖向弯矩最大值达到320kN.m/m，由于池壁与基础的刚性连结，在底部一米范围内产生内侧受弯的弯矩。这属于消化池受力的又一种最不利的情况。
③柱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主要产生环向、竖向和总的位移，位移沿任一子午线对称。消化池的变形图见图13-1至图13-6。其中图13-1是为重力、水压和气压标准值组合作用；图13-2为预应力标准值作用；图13-3为预应力和重力共同作用；图13-4为重力、预应力和水压共同作用(闭水试验)；图13-5为重力、预应力、水压和气压共同作用(闭水闭气试验)；图13-6为重力、预应力、水压、气压和温度共同作用。
由上述变形图可以很直观地看出，重力、水压、气压作用下池壁产生向外膨胀的变形，而预应力钢筋约束该变形，且两者的变化趋势相同，呈三角形分布，都在高度6.1m附近达到最大值，两者共同作用下相互抵消一部分变形，使消化池的受力更加合理。
5.大型柱形消化池的动力特性 输入地震波，采用三维整体建模的方法对上述大型柱形消化池的简化模型进行动力分析，得出大型柱形消化池的动力特性。
由模态分析获得柱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，取前十阶自振频率如表4所示。
表4柱形消化池的自振频率和周期 上述前十阶振型图如图14-1至图14-10所示 振型1——0度、120度和240度方向池壁膨胀收缩； 振型2——30度、150度和270度方向池壁膨胀收缩； 振型3——左右摆动； 振型4——前后摆动； 振型5——30度、120度、210度和300度方向池壁膨胀收缩； 振型6——45度、135度、225度和315度方向池壁膨胀收缩； 振型7——45度和225度方向池壁膨胀收缩； 振型8——90度和270度方向池壁膨胀收缩； 振型9——0度、72度、144度、216度和288度方向池壁膨胀收缩； 振型10——54.5度、126.5度、198.5度、270.5度和342.5度方向池壁胀缩。
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
1.一种大型柱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系统中的板壳单元和三维块体单元建立并计算该消化池的简化模型；
步骤四对上述大型柱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，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)
其中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)
其中
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；
Ftk——池内水压力标准值；
Cp——预加应力效应系数；
Ftk——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
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；
设消化池简化模型的y坐标轴为扇形圆环的对称轴，取一微段dβ，则作用于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
其中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)
其中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；
(4-4)柱形消化池在荷载标准值作用下的内力分析；
(4-5)柱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大型柱形消化池的简化模型进行动力分析，得出大型柱形消化池的动力特性。
2.根据权利要求1所述的大型柱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所述的大型柱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所述的大型柱形消化池静动力分析方法，其中，所述步骤四中的柱形消化池在设计值作用下的受力分析包括
柱形消化池在预应力等效压力作用下的内力；
柱形消化池在各荷载工况下的受力分析；
柱形消化池在各种荷载工况下的变形。
5.根据权利要求1所述的大型柱形消化池静动力分析方法，其中，所得出的所述大型柱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0度、120度和240度方向池壁膨胀收缩；
振型2是30度、150度和270度方向池壁膨胀收缩；
振型3是左右摆动；
振型4是前后摆动；
振型5是30度、120度、210度和300度方向池壁膨胀收缩；
振型6是45度、135度、225度和315度方向池壁膨胀收缩；
振型7是45度和225度方向池壁膨胀收缩；
振型8是90度和270度方向池壁膨胀收缩；
振型9是0度、72度、144度、216度和288度方向池壁膨胀收缩；
振型10是54.5度、126.5度、198.5度、270.5度和342.5度方向池壁胀缩。
全文摘要
本发明公开了一种大型柱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；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；对简化模型进行静力分析确定消化池载荷及工况的组合；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；消化池在荷载标准值作用下的内力分析；柱形消化池在设计值作用下的受力分析；输入地震波，采用三维整体建模的方法对简化模型进行动力分析，得出前十阶振型。本发明能准确地模拟出由预应力筋产生的对池壁的环向力，得出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。
文档编号G06T19/00GK101211379SQ20071006016
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
发明者姜忻良, 海 高, 蕾 袁, 南 姜, 白玉平, 宗金辉 申请人:天津大学