专利名称：建立卵形消化池的简化模型的方法
技术领域：
本发明属于结构工程领域，涉及一种用于进行消化池动力分析的消化池简化模型的建立 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。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，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。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。在以往的设计中， 一有成熟的简化计算方法，但没有考虑相互作 用对结构的影响。地震时，土与结构的相互一作用是一个普遍存在的问题。土一结构体系的动力相互作 用一般包括两个方面 一方面是由惯性力引起的相互作用，另一方面则是由所谓约束地震 动引起的相互作用，也称运动相互作用。土一结构相互作用是近三四十年来得到广泛关注 的研究课题，它的研究对象涉及高层建筑、大型桥涵、海洋结构、地下工程、核电站、高 水坝等与地基相连，并在动力荷载作用下与地基有相互作用影响的各种结构体系。有限元方法自产生开始就对土木工程的发展起了至关重要的作用，从某种意义上可以 说，运用于土木工程中的模型分析，该法是无所不能的。有限元解法又可以分为两大类 频域有限元法和时域有限元法。从理论上讲，整体时域直接动力分析方法解决问题的深度 和广度是其它方法所不能比拟的，但是其最大的一个缺陷也是显而易见的，即有限域的划 分并不能真正代表整个土场的动力反应，只能将近于无限的计算域用某一人为边界截断， 工程分析中需要做一定的近似处理，更多的时候就使用有界域，采用所谓的人工边界来限 定分析区域。土一结构动力相互作用模型可简化为结构一地基系统，如图1所示，整个系统由两部 分组成以结构一地面交界面分界的位于地面7中的结构1系统和地面7下的地基介质。 人工边界4是对无限连续的基地介质进行有限化处理时，在地基介质中人为引入的虚拟边 界，即将地基介质化分为地基有限域2和地基无限域6。人工边界条件就是该边界上结点所 需满足的人为边界条件，用于模拟切除的地基无限域6的影响，图中附图标记7所示为地 震动。在进行结构一地基一土相互作用分析时， 一般检测、计算和分析的过程都非常繁琐， 往往需要花费大量的人力和财力，很难被工程单位接受。如何在找出合理的物理模型的同 时，又可以有效地简化对模型三维问题的检测、计算和分析，并能方便地应用到实际工程 中去， 一直是学术界和工程界共同关注的问题。由Gladwell独立提出的分枝模态法是有限单元法(或集聚质量法)和假定模态法的一 种杂交技巧。其基本特点是对复杂结构的各部件施加指定的一系列拘束，使其局部刚化， 借以形成各个分枝系统(或局部刚化结构)。分枝的形成方法取决于结构本身的几何形状， 但分枝的取法需满足完备性条件，即原则上各个分枝运动的组合应能完全表达结构的运动 特征。由于该方法形成分枝时保证了相邻部件间的位移协调，因此任一分枝模态(比如分 枝系统的主模态)都可以作为整体系统的一种假想模态，去参与结构主模态的分析。分枝模态法使自由度大为縮减而又不失其精度，但对于结构一桩基体系在材料性能、 结构形式诸方面有较大差异的情况下，采用一般已有通用程序、专用程序很难进行分析， 很难得到工程上实用的结果。由模态综合技术可知，每一分枝模态集合中应取多少模态参与综合，由频率准则确定。 考虑到方法的实用性及能方便于实际工程中的应用，根据模态综合的思想，可以将此工作 分为二步来进行第一步，将上部结构粗略划分区域。划分区域的原则，只要能使划分区 域后的结构能反映其本身的特性，然后进行计算，可以求得这种状态下体系的各种值，其 目的主要是求出上、下部结构的耦合项，第二步，将上部结构按研究的要求详细划分区域， 然后进行计算，这就是分枝模态一二步分析法。从相关文献的算例结果比较来看，二步分析法是相当有效的。二步分析法的优点在于-将上部结构不失其特性地离散化，然后用有关地基方面的专用程序先求得基础的动力反应， 由此可以得到所需的地基基础的各项指标，同时求得上、下部结构的耦合项。然后再用上 部结构的专用程序分析基于刚基为假定的上部结构，此时仅需在荷载项上增加一项耦合项 就能得到上、下结构相互作用时上部结构的各项指标，诸如内力、配筋等。以上步骤不仅 能大大縮小解题规模，提高运算速度，又能根据实际问题的需要同时使用若干个毫不相干 的专用程序，充分发挥专用程序的功能(配筋、绘图等)。这一方法对工程设计单位用现有 设备(微机)、现有程序来解决较为复杂的相互作用问题带来极大的方便。发明内容为了克服上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种建立卵形消化池模型的方法， 本发明主要是围绕消化池上下部共同作用的基本理论，对土一桩基一消化池相互作用体系 进行较为全面而合理的研究，目的在于对消化池进行动力分析，目的在于更好地指导消化 池结构的抗震设计。通过全面系统地总结目前国内外有关土一结构动力相互作用的理论和 研究成果，并根据消化池结构的特点，采用二步分析法来进行桩一土一消化池动力相互作 用分析，并基于分支模态一二步分析法的基本思想，进一步进行了将二步分析法应用于桩 一土一消化池动力相互作用分析的实用性研究不是由结构的粗划分过渡到要进行研究的 细划分，而是直接模拟实际结构建立简化模型以求取上、下部结构相互作用的耦合项，模 拟的原则是使简化结构与实际结构的各特性指标尽可能接近。由相关文献中的算例结果来 看，即使在各部分材料性能差异很大、计算较为复杂的情况下，只要使模拟简化结构能保 持原有实际结构的特性，主要是能模拟出结构前几阶自振特性，就能较精确地求得上、下 部结构的耦合项，从而使所得结果非常接近整体考虑的结果，其精度也能满足工程计算的 需要的。为了解决上述技术问题，本发明予以实现的技术方案是，采用分枝模态一二步分析法， 以卵形消化池标准模型为基础建立简化模型，其步骤如下建立卵形消化池池体部分的简 化模型沿着池壁的整个弧度方向将承台的一部分划分出来作为池壁壳体的延伸部分，从 而组成一个完整的中空卵形壳体；建立卵形消化池承台部分的简化模型将承台的阶梯折 线部分简化为直线，将承台顶面两边的斜坡简化为水平位置，从而形成直边的V字形轮廓； 验证上述简化模型的有效性根据第一周期及第一振型和标准模型的第一周期及第一振型 分别相同的原则进行试算，使简化结构能保持原有实际结构的自振特性。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是分枝模态一二步分析法是基于惯性耦合 的概念导出的一种解决相互作用问题的有效方法。其方法是首先将其中一个(或数个) 部件不失其特性的粗划分，用相互作用整体方程求解；然后用整体方程中求得的部件之间相互作用的耦合项作为外荷加到各自细划分的部件方程中去，对结构进行分析。只要粗略 散化的结构能反映其结构本身的特性，就能使分析结果非常接近整体考虑的结果，其精度 能满足工程需要。这种简化建模的方法不仅能大大縮小结构总的自由度数量，提高运算速 度，而且能充分发挥各种程序自身的功能，为实际工程设计利用现有程序求解复杂的相互 作用问题带来了极大方便。
图1是现有技术中橫型基础的结构一地基系统示意图； 图2 (a)是卵形消化池的结构示意图；图2 (b)是利用本发明建立简化模型方法所建立的池体的简化模型示意图； 图2 (c)是利用本发明建立简化模型方法所建立的承台的简化模型示意图； 图3是利用本发明所建立的模型对地震反应的检测分析流程图。 下面是本发明说明书附图中主要附图标记的说明1—结构 2—地基有限域 3——结构-地基交界面
4一人工边界 5—地震动 6—地基无限域7——地面 11——池体 12——承台13——卵形壳体 131——弧度段 132—14——承台的简化模型具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。下面以卵形消化池为例，就建立适用于二步分析法的消化池简化模型过程进行说明， 卵形消化池的结构如图2 (a)所示，该标准模型是本发明建立简化模型的基础。(1) 建立卵形消化池池体ll部分的简化模型； 为了保持池体的完整性和连续性，将池壁壳体顺延到承台底端，即沿着池壁的整个弧度方向，将原来承台12的一部分人为地划分出来作为池壁壳体的延伸部分，从而组成一个 完整的中空卵形壳体13，如图2 (b)所示，将此卵形壳体13模拟成一根固定在承台底部 的中空悬臂粱，具体模拟过程为将池体腹部的弧度段131等分成若干小段，每段弧段相 应用1小段直线段代替，加上池体顶部和底部的两段直线段132，这样从如图2 (b)所示 的剖面图上看用若干段连续的直线段来近似模拟池体剖面的曲线边界。从立体三维角度来 砉.即用若干段连统的锥形蒂优连坊沂似袖.*捲拟憝个咖形等汰 布ANSYS案统中的且汰实现过程为首先绘制实际模型的剖面图，将池壁的外弧线段等分成若干段，然后截取各等分点高度处以及顶部和底部处截面的内外半径，以此为参数定义相应渐变梁单元，最后用这些单元对各自对应的12段梁进行划分，由此在ANSYS中实现了对消化池结构的近似 模拟，由3D图形显示可以非常直观地看到较好的模拟效果。(2) 建立卵形消化池承台12部分的简化模型；为了便于网格划分，对于阶梯式承台12的边界形状进行一定简化处理，g卩将原承台12的阶梯折线部分简化直线，将原承台11顶面两边的斜坡简化为水平位置，并去掉斜坡上 面那一小块土体，简化后的承台模型14如图c所示。(3) 并验证简化模型的有效性。根据第一周期、第一振型尽可能和标准模型的第一周期、第一振型相同的原则进行试 算，使简化结构能保持原有实际结构的自振特性，从而验证了简化模型的有效性。利用本发明所建的卵形消化池简化模型对地震反应的分析中，还考虑了以下影响因素 和基本假定。(1)在上述建立简化模型的过程中，需要对卵形消化池的池体和承台的简化模型的密 度进行处理。即由于对模型进行了上述简化处理，各部分体积都将发生一定变化，虽然 这种变化不大，但为了达到更理想的简化效果，使标准模型和简化模型的的质量及其分布 更加接近，所以对简化模型悬臂粱部分和承台部分的密度进行处理首先在ANSYS中建立 卵形消化池标准模型，采用较为精细的网格划分，并通过编制APDL命令流实现对变厚度
池壁的精确模拟，可以认为此标准模型的几何形状、质量分布等都与实际结构是基本一致 的，然后先后求出标准模型中池壁和承台的体积以及整体重心，同时，求得简化模型中承 台以上部分悬臂粱以及简化后承台的体积。然后根据简化前后结构质量不变、重心不变的 原则，分别折算得到简化模型中悬臂粱和承台的密度(不考虑人为从承台中划分出来的那 段梁的质量，其密度设为零)。由于人为划分出来那部分池壁原本是承台的一部分，所以最 后还需对悬臂粱与承台之间的连接进行处理认为承台高度范围内梁单元的节点与承台内 表面上与其纵坐标相等处的节点是满足位移协调的，这样，在对这部分悬臂粱及承台进行网格划分时，有意识地在与每个梁节点伺一纵坐标高度处的承台内表面圆周上生成节点， 然后在相应节点上添加约束方程，用承台内表面上节点的自由度来约束同一纵坐标高度处 的梁节点的平动自由度和转动自由度，由此实现对池体与承台之间连接的模拟。(2)对池内液体的处理方式。由于消化池建成后常年满池，所以本发明只针对满池状 态的消化池进行分析。地震时，池体的地震响应表现为池体结构的自重惯性力和池内液体 对池壁产生的动水压力及池内液体晃荡产生的冲击压力。动水压力作为一种动荷载作用于 池壁，采用直接输入动荷载的做法计算工作量比较大，改进的方法可以选用池内液体和池 体结构共同作用的方法，但这种方法尚不能满足计算需求；另一种方法是把池内液体当作 一种固定的溶液，把池内液体模拟成附加的质量作用于壳体单元上，以此来计算池内液体 的地震响应，采用这种方法和按动力荷载的方法计算所得的壳体内力比较，基本上是吻合 的，可以满足工程设计的要求。为了计算方便，本发明采取将液体的质量折算到消化池池 壁和基础上的方法，从池壁和基础的密度上体现出来。折算的原则是折算前后总的质量 不变，形心的位置不变。此外，池内液体的晃荡对池体结构的稳定性也将产生影响，考虑 到卵形池体结构是一种结构受力性能优良的结构，本身具有很大的刚度和稳定性，池体下 部锥体深埋于地下，重心相对较低，对整个池体的稳定也起到了保证作用，而且由液体晃 荡产生的内力比动力压力所产生的内力要小很多，所以本发明中不考虑池内液体晃动对池' 体产生的影响。(3) 分析中对非线性的考虑。仅考虑土体的材料非线性，不考虑桩土界面的接触几何 非线性。(4) 地震波的输入问题。不进行地面运动反演，直接由结构底部输入地震动。因为得 到的地震动记录已经包含了该场地的地质条件，所以在选取地震动记录时，注意使所选取 的地震动记录能符合实际场地的地质条件。(5) 在进行桩一土一卵形消化池地震反应分析时，为了分析方便和尽可能地接近设计 情况，在分析中采用了如下假定(5-1)系统的阻尼与振动频率无关，系统阻屑特性使用材料阻尼来描述；(5-2)不考虑土体的应力历史，以及重力、打桩等引起的土体初始位移场和应力场；(5-3)认为桩的持力层为基岩或相对硬层；(5-4)不考虑竖向地震作用。(6) 将整个承台以下部分划分为桩土区、近土区和地基无限域远土区。(6-1)桩土区从力学概念入手将其模拟为正交各向异性体等效单元； (6-2)近土区根据实际土层情况，分层设置参数；(6-3)地基无限域远土区引入局部人工边界，在地基计算范围边界上设置粘弹性人工 边界，设置方法是在边界节点上同时添加粘性阻尼器和线性弹簧，从而有效控制了所需的 分析范围，减少了计算工作量。(7)计算范围的确定。考虑到消化池和承台均为旋转体，将计算区域取为同轴圆柱体Z 半径取承台最大半径的两倍，底部边界取桩底界面。下面结合如图3所示的流程图具体说明利用上述方法建立的卵形消化池简化模型对地 震反应的检测分析方法的步骤是输入地震波纪录；对桩一土一简化模型相互作用体系模 型进行地震反应时程分析；求得简化模型底部的加速度时程反应，此即作为上、下部结构 相互作用的耦合项；用该耦合项修正原计算地震波，修正后的加速度记录即为包含了桩一 土一消化池动力相互作用影响的修正地震波；将修正地震波作为计算地震波对刚性地基上 的卵形消化池标准模型进行地震反应时程分析；得出考虑了相互作用影响的卵形消化池对 地震反应的分析结果。利用本发明建立卵形消化池的简化模型的方法建立模型后，采用二步分析法进行考虑相 互作用的消化池地震反应分析，从而避免了桩一土一消化池体系整体建模分析计算规模的 庞大，转而建立桩一土一简化模型相互作用体系模型来求取上下部结构相互作用的耦合项， 使原本用壳单元划分的消化池池壁模型的几千个自由度縮减至用梁单元划分的悬臂梁模型 的几十个自由度，有效縮小了计算规模。利用本发明方法，在简化卵形消化池的上部结构中，使简化结构能保持原有实际结构 的特性，是二步分析法能够精确的求得上、下部结构相互作用耦合项的前提，可以根据试 算或经验得以实现。在简化过程中遵循以下原则①模拟结构的高度与原结构一致。②模 拟结构的质量分布与实际结构一致。③在实际模拟计算中，利用第一周期、第一振型尽可 能和实际结构的第一周期、第一振型相同的原则进行模拟。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
1.一种建立卵形消化池简化模型的方法，其特征在于，采用分枝模态—二步分析法，以卵形消化池标准模型为基础建立简化模型，其步骤如下建立卵形消化池池体部分的简化模型沿着池壁的整个弧度方向将承台的一部分划分出来作为池壁壳体的延伸部分，从而组成一个完整的中空卵形壳体；建立卵形消化池承台部分的简化模型将承台的阶梯折线部分简化为直线，将承台顶面两边的斜坡简化为水平位置，从而形成直边的V字形轮廓；验证上述简化模型的有效性根据第一周期及第一振型和标准模型的第一周期及第一振型分别相同的原则进行试算，使简化结构能保持原有实际结构的自振特性。
2. 根据权利要求1所述的建立卵形消化池简化模型的方法，其中，将所述中空卵形壳 体模拟成一根固定在承台底部的中空悬臂粱，即将池体腹部的弧度段等分成若干小段， 每段弧段相应用1小段直线段代替，加上池体顶部和底部的两段直线段，从而模拟池体剖 面的曲线边界。
3. 根据权利要求1所述的建立卵形消化池简化模型的方法，其中，所述池体剖面曲线 边界的绘制是将池壁的外弧线段等分成10至20段，然后截取各等分点高度处以及顶部和 底部处截面的内外半径，以此为参数定义相应渐变梁单元，最后用这些单元对各自对应的每段梁进行划分，由此在ANSYS系统中实现了对消化池结构的模拟。
4. 根据权利要求3所述的建立卵形消化池简化模型的方法，其中，由3D图形系统显 示输出其模拟效果。
全文摘要
本发明公开了一种建立卵形消化池简化模型的方法，该方法是采用分枝模态—二步分析法，以卵形消化池标准模型为基础建立简化模型，其步骤如下建立卵形消化池池体部分的简化模型沿着池壁的整个弧度方向将承台的一部分划分出来作为池壁壳体的延伸部分，从而组成一个完整的中空卵形壳体；建立卵形消化池承台部分的简化模型将承台的阶梯折线部分简化为直线，将承台顶面两边的斜坡简化为水平位置，从而形成直边的V字形轮廓；验证上述简化模型的有效性。本发明简化建模的方法不仅能大大缩小结构总的自由度数量，提高运算速度，而且能充分发挥各种程序自身的功能，为实际工程设计利用现有程序求解复杂的相互作用问题带来了极大方便。
文档编号G06T19/00GK101211380SQ20071006016
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
发明者南 姜, 姜忻良, 宗金辉, 白玉平, 蕾 袁, 海 高 申请人:天津大学