SAP2000在机械加速澄清池结构设计中的应用论文_李宁,陈德文

摘要：机械加速澄清池结构型式较复杂，结构分析模型构建比较困难。本文以某工程中机械加速澄清池为实例，运用SAP2000软件建立其有限元模型，有效解决了机械加速澄清池结构分析模型构建困难的问题。通过分析得到结构在自重、水荷载、活荷载等作用下应力分布规律和应变分布规律，同时得出关键构件内力值，用于结构配筋计算。本文的有关方法和结论可为相关工程提供参考。

关键词：SAP2000；机械加速澄清池；结构分析

引言

机械加速澄清池是通过机械搅拌将混凝、反应和沉淀置于一个池中进行综合处理的构筑物，广泛用于市政、电厂、海水淡化[1]等工程。机械加速澄清池包含构件较多，结构不规则，结构型式较复杂，结构分析模型构建比较困难。

SAP2000具有集成化的视图环境、强大的建模分析功能、一体化的设计功能、及全面输出分析功能，几乎可以完成各种结构体系的设计。[2]运用该软件建立机械加速澄清池有限元模型，有效解决了结构分析模型构建困难的问题；通过分析大大提高了机械加速澄清池结构设计的安全及经济性。

1 工程概况

某工程机械加速澄清池主体结构包括第一反应室、第二反应室、斜撑及外立柱，其他附属结构包括配水槽、出水槽、导流板、伞板等。第一反应室为球壳结构，通过若干斜撑支撑起第二反应室。斜撑上安装有伞板及裙板。第二反应室为筒壳结构，其上顶板放置机械设备。外立柱用于支撑辐射水槽及导流板。机械加速澄清池主体结构均为现浇钢筋混凝土结构；附属结构为预制钢筋混凝土，通过埋件安装到主体结构上。

2 机械加速澄清池的SAP2000结构分析过程

2.1 建立模型

模型的构建应根据实际受力等因素进行简化。配水槽、伞板等附属结构均为预制构件，将其作为恒荷载施加到主体结构上，只需构建主体结构有限元模型，简化了模型的同时也使得模型更加符合构筑物实际受力情况。SAP2000结构三维模型如图二所示。

图二 机械加速澄清池SAP2000结构三维模型

（1）定义材料信息和截面属性

第一反应室及第二反应室侧壁采用壳-薄壳面单元，斜撑、外立柱、暗梁采用线单元进行模拟。在SAP2000软件中，分别根据不同的侧壁底板厚度、截面大小定义相应面截面及框架截面，所有单元材料均选用混凝土。

（2）对象绘制

SAP2000 提供了快速建模的功能。根据坐标定义绘制点对象，利用软件中捕捉、线对象绘制及带属性复制等功能，绘制框架构建斜撑、立柱及暗梁等模型。运用“旋转线成面”功能，快速绘制面单元构建反应室球壳及筒壳模型。

（3）荷载施加

定义荷载模式，模型中定义了恒荷载、活荷载、地震荷载及风荷载等荷载模式。荷载模式不能在结构上产生响应，应定义荷载工况包含荷载模式得到荷载作用。该结构采用底部剪力法计算地震作用，在模型中采用自动地震荷载模式功能进行定义；风荷载采用自动风荷载模式功能进行定义，输入基本风压、地面粗糙度等参数；球壳所受净水压力，通过节点样式功能施加面荷载。

根据结构实际受力情况，定义不同荷载工况。依据规范要求对荷载工况进行组合，得到结构计算所需设计值、标准值及准永久值，用于结构强度、裂缝、挠度计算。

（4）特殊功能指定

1）节点约束

机械加速澄清池底部与地面接触的节点，通过软件中节点约束功能，对其施加约束。本模型中将底板与柱、侧壁相交节点均设置为固定支座，约束所有自由度。

2）底板面弹簧

在SAP2000中用面弹簧模拟土与底板的相互作用，弹簧的刚度与土的性质，即与土的基床系数有关。运用软件面弹簧功能设置弹簧刚度，并将其指定到底板。

3）单元剖分

对模型中的对象，在计算分析之前，指定一定的有限元剖分，即线对象、面对像的单元剖分，以得到对应的计算精度。

2.2 模型分析

（1）荷载工况、组合定义完毕后，即可运行工况，从而得到显示、输出和设计的结果。SAP2000软件可以有选择性地运行荷载工况，从而得到结构在荷载工况中所施加荷载的响应。分析过程的相关数据、警报和错误信息会形成日志文件，以便查看。

（2）结果查看和输出

SAP2000提供了全面、灵活的数据显示与输出方式，可以方便直观地查看设计结果。分析结果包括整体模型和局部构件的分析数据，各种荷载工况下的变形形状、振型形状、构件内力、应力图等。图三分别为结构在荷载标准组合下变形图、侧壁壳单元内力云图、框架线单元内力图、及某斜撑内力详图。

图三 软件结构分析结果输出图

（3）模型调整及最终方案确定

通过对计算结果的分析，对机械加速澄清池结构体系、构件型式和布置不断进行优化调整，从而最终确立合理的结构设计方案。

3 结论

通过运用SAP2000软件建立机械加速澄清池有限元模型，有效解决了其结构分析模型构建困难的问题。同时，应用SAP2000所构建模型符合结构实际受力规律，通过分析确立了合理的结构方案，并得到结构在各种荷载工况组合下应力分布规律和应变分布规律、关键构件内力值，用于机械加速澄清池结构设计，从而保证了结构设计方案安全可靠、经济适用。

参考文献：

[1] 李洪峰.《机械加速澄清池在印尼百通电站海水淡化系统中的应用》[J].南京：电力科技与环保，2012

[2] 北京金土木软件技术有限公司等．SAP2000中文版使用指南[M]．北京：人民交通出版社，2006．

论文作者:李宁,陈德文

论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期

论文发表时间:2018/12/17

标签：荷载论文;  结构论文;  模型论文;  机械论文;  工况论文;  功能论文;  定义论文;  《基层建设》2018年第31期论文;