摘要：柱形消化池是污泥消化处理工艺中主要的构筑物之一，因其高度较高、直径大且长期处于高温高压的受力工况，故常采用钢筋混凝土预应力结构。然而对其不同工况下的受力机理常采用简化模型进行计算分析，与实际情况存在一定差异，导致出现部分结构设计过于保守或是安全冗余度不足的情况。本文通过ANSYS通用有限元软件对郑州新区污水处理厂工程中消化池进行三维建模计算分析，总结出污泥消化池在不同工况下一般力学规律，为今后类似工程设计施工提供参考依据。
关键词：柱形消化池；有限元计算；三维建模；
Study on 3D Calculation and Analysis of Cylindrical Sludge Digester
Yan Fujie
Abstract：Cylindrical sludge digester is one of core structures in sludge digestion，which is always constructed as cylindrical prestressed concrete structure for its large size in diameter and height and also its running state in high temperature and pressure.Simplified Calculation is frequently used in analyzing all working coniditons of cylindrical sludge digester，which differs from the real states to some extent，casuing excess or insufficience in structure design.In the paper，3D modeling will be introduced in calculating and analyzing the cylindrical sludge digester in Zhenzhou new district sewage plant with ANSYS.In this way，mechanical behaviors in working conditions of cylindrical sludge digester can be summarized to support design and construction of similar projects in the future.
Keywords：Cylindrical sludge digester；FEM calculation；3D modeling
1引言
对于柱形污泥消化池早期的计算分析仅限于解析计算或二维简化计算，一般将环向预应力钢筋作为荷载施加于池壁上，忽略了池壁变形及温度对预应力钢筋的反作用，且这种作用通常是不利的；此外，传统的计算方法难以分析不同高度上预应力钢筋相互作用的影响；再者，传统计算采用拟静力的方法考虑地震作用，偏于保守。
采用三维有限元计算分析可以一定程度上解决上述问题，使计算结果更精确，设计更为合理。
2项目简介
郑州新区污水处理厂污泥消化池工程位于河南省中牟县姚家镇，污泥项目共计6座消化池，详见图1（a）。消化池内径25m，总高度27.4m（从设计地面算起），设计污泥量200t/d，设计液位高度22.4m，设计内压0.055bar。结构采用预应力钢筋混凝土结构，壁厚0.65m，共计81道预应力锚索，详见图1（b）。
（a）消化池平面布置总图 （b）预应力钢筋布置图
图 1消化池设计图
3消化池三维建模计算分析
采用ANSYS通用有限元软件进行消化池的建模计算，关于ANSYS软件的介绍请参考相关文献，此处不赘述。建模计算分为5个步骤：（1）前处理、（2）建模与网格划分、（3）边界条件定义、（4）荷载施工及工况定义及（5）后处理。
3.1前处理
前处理主要包括选定单元及定义参数。柱形消化池所涉及的单元包括三维板壳单元shell63（shell93）、三维梁单元beam4，前者模拟池壁而后者模拟环梁。另需使用模拟预应力钢筋的杆单元link10，模拟外保温材料（仅提供自重不提供刚度）的质量单元mass21，以及施加非径向面荷载（弧面顶板施加活载）所采用的表面单元surf154。参数的定义包括单元几何参数（池壁壁厚、环梁截面等）及材料参数。
3.2建模、网格划分及边界条件定义
模型建立时，由于消化池相对复杂，为了实现整体分析，首先需要对构筑物进行简化，既要能准确反应整体结构的受力情况，又要合理优化模型规模，方便计，故消化池主要受力构件都需要在模型中准确表达，一些细部构造可不在模型中体现。模型的建立方法较为常规，此处不再赘述。需要强调的是，预应力筋作为内嵌于池壁中的结构，需与模拟池壁的板壳单元共用节点，否则不能起到“箍紧”的作用，模型如图2所示。
图 1消化池三维模型
图 2消化池预应力筋三维模型
消化池采用桩基础，故池壁底部固端的约束形式。
3.3荷载施加及工况定义
荷载输入为消化池建模中的重点与难点。主要体现为荷载多且组合复杂（组合问题可在后处理中考虑），包括自重、内水荷载、温度荷载、地震荷载等，其中温度荷载可分为季节中面温差与壁面温差，地震荷载可分为一般地震与动水荷载。
柱形消化池单工况荷载可分为以下九种：
表1 柱形消化池单工况荷载汇总
图4~6分别为柱形消化池内水荷载、内气压荷载及动水荷载。
图 3柱形消化池内水荷载
图 4柱形消化池内气压荷载
图 5柱形消化池动水荷载
以上九种荷载中，季节中面温差、壁面温差、预应力荷载以及地震荷载为非常规荷载，在此作特别说明。
季节中面温差与壁面温差的计算不仅需要考虑气温、水温等参数，同时需要精确控制外保温材料的热传导系数、厚度的影响，否则差异较大。季节温差与壁面温差均作为体荷载分别施加于结构上，壁面温差的施加需分清池内壁与外壁。
预应力荷载的施加通常采用两种方法，初应变法与降温法，然而降温法可能与柱形消化池温度荷载效应相互干扰，因此推荐采用初应变法。
地震用作采用《抗规》推荐的振型分解反应谱法来替代传统的拟静力法，相较后者，前者更符合实际工况，计算结果更为精准。图7为柱形消化池第一至第七振型及其自振频率。
（a）第一、二振型（f1=f2=8.022Hz） （b）第三振型（f3=10.849Hz）
（c）第四、五振型（f4=f5=12.78Hz） （d）第六、七振型（f6=f7=13.569Hz）
图 6柱形消化池第一~第七振型
3.4后处理
除荷载输入外，后处理也是柱形消化池三维计算中的另一难点，主要体现在工况组合及校验项目较多且复杂。表2罗列了柱形消化池工况组合及校验项目。需要注意的是，温度荷载在进行工况组合时需对效应进行折减，季节温差工况折减系数为0.2，壁面温差工况折减系数为0.65。
表2 柱形消化池工况组合汇总
3.5计算结果分析
根据上述工况组合结果，可以分析得出柱形消化池从施工到运营阶段以及偶然工况（地震）全寿命周期内的控制工况。
如图8（a）所示，组合二工况下（施工阶段），预应力锚索已张拉完毕而尚未进水（泥），此时池壁中部位置承受较大水平向压力，同时由于池壁顶底存在刚度较大的钢筋混凝土环梁，其变形相较池壁中部较小，导致与其相连的池壁产生一定的拉力，故须注意预应力锚索的配置，不可使拉力超过混凝土材料的极限抗拉强度而导致裂缝的产生。同样由于顶底端刚度大（主要是底部）而腰部薄弱的原因，致使组合二工况下池壁底部的竖向弯矩较大，故须注意预应力锚索的配置分布，同时增加消化池竖向的普通受力钢筋以抵抗这一工况下的弯矩。从组合二的计算结果可以得出以下结论：预应力锚索的配置并非越多越好，减小配置量不仅仅是节约造价的需求，同时是兼顾结构受力的要求。
如图9所示，组合7工况下（使用阶段），在内水压、气压及温度等不利的影响下，池壁出现的鼓胀的情况，不同于传统的理解，最大拉力并非出现在池底处而产生于底部偏上的位置，此时需要根据池壁拉力的大小控制预应力钢筋沿高度方向的分布，以达到池壁受力均匀合理的目的。
（a）工况组合二水平拉力（kN） （b）工况组合二竖向弯矩（kN·m）
图 7柱形消化池工况组合二内力
图 8柱形消化池工况组合七水平拉力（kN）
4结论
（1）通过三维计算分析可以得更全面、更精准地模拟污泥消化池全寿命周期内的力学行为，从而得出控制工况。
（2）污泥消化池在施工阶段与使用阶段各存在控制工况，故对于预应力钢筋要求配置合理，既要满足使用阶段抵抗内水（气）压的要求，也不宜在施工阶段对池壁产生过大内力。
参考文献：
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论文作者:阎富杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/6
标签：荷载论文; 工况论文; 预应力论文; 组合论文; 温差论文; 污泥论文; 钢筋论文; 《基层建设》2019年第15期论文;