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一沉池变截面池壁的有限元分析

发布于:2016-09-21 20:09
有限元分析

      唐山中厚板一次铁皮沉淀池(以下简称一沉池)是唐山中厚板有限责任企业炼钢与连铸、轧钢中厚板工程水处理系统中的一部分,主厂房内轧线产生的含氧化铁皮废水经由铁皮沟流入一次铁皮沉淀池,约有70%~80%的氧化铁皮在一沉池里沉淀,废水能够得到初步的处理。
      本研究以此一沉池为例,研究变截面池壁内力变化规律。此一沉池为矩形水池,外形尺寸长为27m,宽为25.5m。地下水位-2.000m。由于此一沉池深度较大(最浅处深度为20.5m,最深处为22m),地下水位较高,经计算,该一沉池池壁荷载较大,如何根据池壁内力分析结果进行池壁优化设计,关系到结构的安全和工程成本。经过方案比较,一沉池池壁决定采用变截面池壁,共分三段变化。由于此一沉池池壁采用变截面,属于非常规截面,手算误差较大,工作量大,为准确地进行结构内力计算和设计,该一沉池池壁采用SAP2000有限元分析程序进行内力计算。
      一沉池池壁不仅承受平面内的拉力和压力,而且还承受弯矩和横向力。根据池壁的受力特点,选用SAP2000中壳单元进行模拟。壳单元是一个组合了膜和板弯曲特性的3个或4个结点单元,即由平面应力单元与弯曲单元的组合单元,每个结点有6个自由度,在单元的局部坐标系内,应力和内力及弯矩在2×2的高斯积分点计算,并向外插值到单元的结点。由于池壁厚度较大,为精确计算,考虑板的横向剪切变形,板单元选用厚板单元。
      边界条件依据(CECS138:2002)《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》确定,水池顶端无约束时为自由端,水池与底板连接时视池壁为固端支承。池壁顶端以工作平台作为支承结构时,根据支承结构的横向刚度确定池壁顶端的支承条件为铰支。
      结构所受荷载按(CECS138:2002)《给水排水工程钢筋混凝土水池结构结构设计规程》确定大小,地下水以上的部分按朗金公式计算主动土压力,对水池位于地下水以下部分的侧压力,取主动土压力与地下水静压力之和。地面堆积荷载按规程取10kN/m2。
      本研究取一沉池中受力最不利池壁进行计算,计算模型如图所示。此池壁长27m,深22m,边界条件为三边固定和一边自由。池壁厚度在深度5、14m处由1.2m变为1.6m和2.0m。地下水位于深度2m处。有限元计算模型选用壳单元进行模拟,所受荷载按(CECS138:2002)《给水排水工程钢筋混凝土水池结构结构设计规程》计算确定。
      图所示为池壁壁中竖向弯矩变化图,包括基本组合和准永久组合。基本组合和准永久组合的竖向弯矩变化规律基本相同。竖向弯矩在池壁底端(深度为22m)达到最大值,基本组合和准永久组合值竖向负变矩分别为-9383kN·m和-7172kN·m,池壁壁中正弯矩在深度14m处达到最大值,基本组合和准永久组合竖向变矩分别为1449 kN·m和1138kN·m。正负弯矩绝对值之比分别为6.48和6.30,这是由于池壁厚度由下到上逐渐变小,池壁竖向弯矩变化与悬臂挡水墙竖向弯矩相近。随着池壁厚度发生变化,竖向弯矩无明显突变。池壁壁中竖向弯矩图形接近于二次曲线形状,与一边固定一边简支的超静定梁受相同荷载的弯矩图相似。
      图所示为池壁角隅处水平向负弯矩随深度变化图,包括基本组合和准永久组合。基本组合和准永久组合的角隅处水平向负弯矩变化规律也基本相同。水平向弯矩在深度6m和15m处达到较大值,两处基本组合和准永久组合值竖向变矩分别为-5972、-4438和-6713和-5125kN·m,此处均是在离截面变化位置下方1m处。在池壁厚度变化位置的2m范围内,水平向弯矩急剧变化,深度4m处基本组合和准永久组合水平弯矩由6m处的较大值,急剧减小为-2645kN·m和-1946kN·m;深度13m处基本组合和准永久组合水平向弯矩由15m处的最大值,急剧减小为-4616kN·m和-3514kN·m。22m深度处水平弯矩达到最小值,基本组合和准永久组合水平向弯矩分别为-182kN·m和-141kN·m。随着池壁厚度发生变化,角隅处水平向弯矩由底向上变化的范围相差不大,截面变化的局部位置角隅弯矩变化速率较大。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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