预应力蛋形消化池地下连续墙—土相互作用分析★

陈华明 诸民 姜毅

(1.中国建筑标准设计研究院，北京 100048; 2.北京总参和平村工程指挥部，北京 100082; 3.海军上海营建办，上海 200083)

1 概述

近年来，随着城市扩容发展，城市污水处理厂日趋增多，污水处理构筑物的容量也日趋增大。因此，采用结构设计合理、容量大、经济可靠的消化池就显得十分重要。与传统的圆柱形储液罐相比，预应力蛋形消化池以其在结构外形、容量和经济效益等方面的优越性，正逐步成为污水消化池池形的发展方向［1-3］。

在我国已建成的蛋形消化池设计中，一般池体高度在40 m～50 m，1/4埋入地下，埋深近8 m～10 m，有的甚至达到12 m～15 m。由于埋深大，因此施工时需对消化池的地下结构进行基坑围护。如果采用桩基支撑，则在开挖基坑过程中还需考虑边坡稳定问题。在较软土体中，地下水位高时，采用桩基时一般需进行土体加固及隔水措施，如图1所示。如果采用地下连续墙作为蛋形消化池的基础，同时又作为基坑围护结构，一墙两用，则是一个比较经济、安全的方案，如图2所示。

图1 采用桩基的蛋形消化池

图2 采用地下连续墙的蛋形消化池

地下连续墙一般作为地下围护结构，而兼作为围护、基础受力的情况较少。但工程实例表明使用该种结构形式，较好地解决了地基液化对结构的影响问题和基坑开挖时对相邻建筑物的保护问题，同时节约了造价。预应力混凝土蛋形消化池基础抗震设计时采用地下连续墙比较合理，同时更具创新性［4］。

本文采用ANSYS建立了整体模型，计算预应力蛋形消化池地下连续墙—土相互作用的过程中同时考虑了流固耦合作用，从整体上来综合评估结构的性能。

2 考虑流固耦合的蛋形消化池地下连续墙—土相互作用有限元分析

1)预应力钢筋等效荷载。

蛋形消化池的环向预应力筋采用无粘结预应力筋，等效为环向均布荷载。设施加预应力T，施加预应力处半径为R，见图3a)，设等效环向均布荷载为p，则:

得:

同样的，径向无粘结预应力筋也可等效为纵向均布荷载，见图3b)。根据平衡条件:

得:

图3 无粘结预应力等效图

由上述分析可知，等效荷载与角度α，θ有关。

2)蛋形消化池流固耦合分析。

在文献［5］［6］中，分析了蛋形消化池中盛有水体时结构的自振频率及在地震载荷作用下的动应力，并与国内首次模拟地震震动台试验结果进行了比较，证明了该种建模方法的正确和合理性。这里简要描述有限元建模的基本原则:a.当消化池中流体在地震荷载下晃动时，由于重力的作用，流体表面总是趋向于其平衡置。为了模拟这种效应，流体表面单元须考虑加弹簧。b.接触处的流体和固体在法向自由度上应保持一致，而其他方向位移则不作约束，即流体和固体间就可在切向产生相对滑动［5］。

3)地下连续墙—土相互作用分析［7］。

地下连续墙—土相互作用是接触作用，这是一种高度非线性作用，有两个难点:首先是建立模型之前，接触区域表面之间是接触、分开的或者是突然变化的无法确定;其次接触作用都涉及摩擦，摩擦作用都是非线性的，这使得计算时比较难以收效。

ANSYS有三种接触方式:点—点、点—面、面—面。本文采用面—面接触单元，即柔性体的表面作为接触面，用Conta173单元模拟，刚性体的表面作为目标面，用Targe170单元模拟。

4)蛋形消化池有限元建模。

在ANSYS建模过程中采用的单元如下:a.池体和周围土体采用Solid45实体单元。土体的本构模型采用Drucker-Prager屈服准则。流体采用 Fluid80实体单元。b.地下连续墙目标面采用Targe170单元，土体接触面采用Conta173单元。

蛋形消化池中部最大直径22 m，高40 m，池体厚度从顶部400 mm渐变为底部600mm，地下连续墙深25m，墙厚800mm，池体内部充满水。采用参数如下:a.池体和地下连续墙:弹性模量E=3.25 ×1010Pa，泊松比为0.167，密度为2 500 kg/m3。b.土体:弹性模量 E=1 ×107Pa，泊松比为0.42，密度为2 000 kg/m3，粘聚力C=10，摩擦角为30°，膨胀角为30°。c.水体:弹性模量 E=2.06 ×109Pa，密度为 1 000 kg/m3，粘度为 0.011 3。

输入地震波为El-Centro波，考虑7度多遇地震作用，峰值为0.35 m/s2。

1/4有限元模型图包括池体、内部流体、地下连续墙和土体。图4是流体和池壁耦合的节点。在土体和连续墙之间以及土体和消化池下部结构间设立接触单元，每个接触对有刚性目标面和接触面。接触面由内外柱面和底部圆环面组成。

有限元计算结果如图5～图8所示。图5为0.8 s时的动水压力分布云图。可以看到在地震荷载作用下，水发生了晃动，产生了动水压力。

图4 流体和池壁耦合节点模型图

图5 0.8 s的动水压力分布云图

图6 地下连续墙和周围土Z方向应力分布

图6 为地下连续墙及周围土体Z方向应力分布，可知在地震波作用下，连续墙与周围土体产生相对滑动，土体压力最大为0.88 MPa，连续墙与承台相连处因为截面突变，故其应力会产生应力集中现象，最大轴拉应力为0.75 MPa。

图7，图8为地下连续墙在不同部位的第一主应力时程曲线。图7为墙端部点34461的第一主应力时程曲线，该处第一主应力最大为1.1 MPa。墙中部点34480的第一主应力最大为0.2 MPa。图8为地墙底部点34420的第一主应力时程曲线，该处第一主应力最大为 0.072 MPa。

可知，地下连续墙的最大拉应力为1.1 MPa，最大压应力为0.31 MPa。由抗震规范可知，在7度地震下地下连续墙是安全的，不会压坏或开裂。

图7 墙端部点34461第一主应力时程曲线

图8 墙底部点34420第一主应力时程曲线

3 结语

采用地下连续墙既能作为蛋形消化池地面以下部分施工基坑开挖的围护结构，又能作为上部结构的基础，能起到二合一的效果，在技术和经济上有优势，同时又能保证结构的安全性。实际工程的效果也证明了其正确性和安全性。

［1］王 劲，董广瑞，何德湛.蛋形消化池建造技术在我国的应用［J］.中国给水排水，2001(9):65-66.

［2］章平川，徐小荷，何顺利.流固耦合问题及研究进展［J］.地质力学学报，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.有限单元法［M］.北京:清华大学出版社，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］陈华明，李 杰，范民权，等.蛋形消化池与流体相互作用动力分析［J］.工程力学，2006，23(10):49-54.

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