預應力蛋形消化池地下連續墻—土相互作用分析★

陳華明 諸民 姜毅

(1.中國建筑標準設計研究院，北京 100048; 2.北京總參和平村工程指揮部，北京 100082; 3.海軍上海營建辦，上海 200083)

1 概述

近年來，隨著城市擴容發展，城市污水處理廠日趨增多，污水處理構筑物的容量也日趨增大。因此，采用結構設計合理、容量大、經濟可靠的消化池就顯得十分重要。與傳統的圓柱形儲液罐相比，預應力蛋形消化池以其在結構外形、容量和經濟效益等方面的優越性，正逐步成為污水消化池池形的發展方向［1-3］。

在我國已建成的蛋形消化池設計中，一般池體高度在40 m～50 m，1/4埋入地下，埋深近8 m～10 m，有的甚至達到12 m～15 m。由于埋深大，因此施工時需對消化池的地下結構進行基坑圍護。如果采用樁基支撐，則在開挖基坑過程中還需考慮邊坡穩定問題。在較軟土體中，地下水位高時，采用樁基時一般需進行土體加固及隔水措施，如圖1所示。如果采用地下連續墻作為蛋形消化池的基礎，同時又作為基坑圍護結構，一墻兩用，則是一個比較經濟、安全的方案，如圖2所示。

圖1 采用樁基的蛋形消化池

圖2 采用地下連續墻的蛋形消化池

地下連續墻一般作為地下圍護結構，而兼作為圍護、基礎受力的情況較少。但工程實例表明使用該種結構形式，較好地解決了地基液化對結構的影響問題和基坑開挖時對相鄰建筑物的保護問題，同時節約了造價。預應力混凝土蛋形消化池基礎抗震設計時采用地下連續墻比較合理，同時更具創新性［4］。

本文采用ANSYS建立了整體模型，計算預應力蛋形消化池地下連續墻—土相互作用的過程中同時考慮了流固耦合作用，從整體上來綜合評估結構的性能。

2 考慮流固耦合的蛋形消化池地下連續墻—土相互作用有限元分析

1)預應力鋼筋等效荷載。

蛋形消化池的環向預應力筋采用無粘結預應力筋，等效為環向均布荷載。設施加預應力T，施加預應力處半徑為R，見圖3a)，設等效環向均布荷載為p，則:

得:

同樣的，徑向無粘結預應力筋也可等效為縱向均布荷載，見圖3b)。根據平衡條件:

得:

圖3 無粘結預應力等效圖

由上述分析可知，等效荷載與角度α，θ有關。

2)蛋形消化池流固耦合分析。

在文獻［5］［6］中，分析了蛋形消化池中盛有水體時結構的自振頻率及在地震載荷作用下的動應力，并與國內首次模擬地震震動臺試驗結果進行了比較，證明了該種建模方法的正確和合理性。這里簡要描述有限元建模的基本原則:a.當消化池中流體在地震荷載下晃動時，由于重力的作用，流體表面總是趨向于其平衡置。為了模擬這種效應，流體表面單元須考慮加彈簧。b.接觸處的流體和固體在法向自由度上應保持一致，而其他方向位移則不作約束，即流體和固體間就可在切向產生相對滑動［5］。

3)地下連續墻—土相互作用分析［7］。

地下連續墻—土相互作用是接觸作用，這是一種高度非線性作用，有兩個難點:首先是建立模型之前，接觸區域表面之間是接觸、分開的或者是突然變化的無法確定;其次接觸作用都涉及摩擦，摩擦作用都是非線性的，這使得計算時比較難以收效。

ANSYS有三種接觸方式:點—點、點—面、面—面。本文采用面—面接觸單元，即柔性體的表面作為接觸面，用Conta173單元模擬，剛性體的表面作為目標面，用Targe170單元模擬。

4)蛋形消化池有限元建模。

在ANSYS建模過程中采用的單元如下:a.池體和周圍土體采用Solid45實體單元。土體的本構模型采用Drucker-Prager屈服準則。流體采用 Fluid80實體單元。b.地下連續墻目標面采用Targe170單元，土體接觸面采用Conta173單元。

蛋形消化池中部最大直徑22 m，高40 m，池體厚度從頂部400 mm漸變為底部600mm，地下連續墻深25m，墻厚800mm，池體內部充滿水。采用參數如下:a.池體和地下連續墻:彈性模量E=3.25 ×1010Pa，泊松比為0.167，密度為2 500 kg/m3。b.土體:彈性模量 E=1 ×107Pa，泊松比為0.42，密度為2 000 kg/m3，粘聚力C=10，摩擦角為30°，膨脹角為30°。c.水體:彈性模量 E=2.06 ×109Pa，密度為 1 000 kg/m3，粘度為 0.011 3。

輸入地震波為El-Centro波，考慮7度多遇地震作用，峰值為0.35 m/s2。

1/4有限元模型圖包括池體、內部流體、地下連續墻和土體。圖4是流體和池壁耦合的節點。在土體和連續墻之間以及土體和消化池下部結構間設立接觸單元，每個接觸對有剛性目標面和接觸面。接觸面由內外柱面和底部圓環面組成。

有限元計算結果如圖5～圖8所示。圖5為0.8 s時的動水壓力分布云圖。可以看到在地震荷載作用下，水發生了晃動，產生了動水壓力。

圖4 流體和池壁耦合節點模型圖

圖5 0.8 s的動水壓力分布云圖

圖6 地下連續墻和周圍土Z方向應力分布

圖6 為地下連續墻及周圍土體Z方向應力分布，可知在地震波作用下，連續墻與周圍土體產生相對滑動，土體壓力最大為0.88 MPa，連續墻與承臺相連處因為截面突變，故其應力會產生應力集中現象，最大軸拉應力為0.75 MPa。

圖7，圖8為地下連續墻在不同部位的第一主應力時程曲線。圖7為墻端部點34461的第一主應力時程曲線，該處第一主應力最大為1.1 MPa。墻中部點34480的第一主應力最大為0.2 MPa。圖8為地墻底部點34420的第一主應力時程曲線，該處第一主應力最大為 0.072 MPa。

可知，地下連續墻的最大拉應力為1.1 MPa，最大壓應力為0.31 MPa。由抗震規范可知，在7度地震下地下連續墻是安全的，不會壓壞或開裂。

圖7 墻端部點34461第一主應力時程曲線

圖8 墻底部點34420第一主應力時程曲線

3 結語

采用地下連續墻既能作為蛋形消化池地面以下部分施工基坑開挖的圍護結構，又能作為上部結構的基礎，能起到二合一的效果，在技術和經濟上有優勢，同時又能保證結構的安全性。實際工程的效果也證明了其正確性和安全性。

［1］王 勁，董廣瑞，何德湛.蛋形消化池建造技術在我國的應用［J］.中國給水排水，2001(9):65-66.

［2］章平川，徐小荷，何順利.流固耦合問題及研究進展［J］.地質力學學報，1999，5(1):17-26.

［3］Sutter，Gerhard，Hanskat，et al.World’s largest egg-shaped digesters［J］.Water Environmentand Technology，1990，29(40):52-55.

［4］王勖成.有限單元法［M］.北京:清華大學出版社，2003:89-96.

［5］Jie Li，Hua-Ming Chen，Jian-Bing Chen.Studies on seismic performances of the prestressed egg-shaped digester with shaking table test［J］.Engineering Structures，2007(29):552-566.

［6］陳華明，李 杰，范民權，等.蛋形消化池與流體相互作用動力分析［J］.工程力學，2006，23(10):49-54.

［7］ANSYSTheory Reference，00855.Eighth Edition，SAS 1P、INC.