污泥浓缩池结构的有限元分析与设计

王相宝 赵 凡 中海油石化工程有限公司

1 前言

污泥浓缩池在化工行业中应用较为广泛，该装置的作用是对生产过程中产生的污泥进行压缩处理，原理是通过浓缩的方式将污泥中的水分压缩排出，使得污泥的体积规模得以变小，从而变相减少了化学药剂的使用，除污的动力设备配置也相应降低，在满足装置运行的前提下，做到了节能减排，而且除污管道的配置也会减少，节约了工程成本。化工装置中常用的污泥浓缩池为辐流式池型，污泥从中心筒连续配入，竖向或径向流往周边集水槽，污泥浓缩于池底，并连续排出，清水则从集水槽连续排出。污泥浓缩池的构造详见图1。

图1 污泥浓缩池简图

2 结构形式

本文选取某化工项目中污泥浓缩池作为设计对象。该算例形状为圆形，材质为钢筋混凝土，地面以上的水池高度为4.1m，地面以下的水池高度为3.05m，浓缩池的直径为14.8m。本工程设计使用年限为50年，抗浮设计水位为室外地坪下0.5m，场地类别为Ⅱ类。其余设计参数如表1所示。

表1 设计参数

由于污泥浓缩池地处严寒地区，室外温度较低，水池池壁外露，因此池体的混凝土抗冻等级为F200。通过当地的环境类别确定：浓缩池壁板的混凝土保护层厚度为35mm，底板的混凝土保护层厚度为40mm。池体受力钢筋的强度等级均为HRB400。根据SH/T 3132—2013《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》，污泥浓缩池的防水要求比较严格，需采用抗渗等级为P8 的C30 抗渗混凝土，污泥浓缩池的结构截面尺寸详见图2。

图2 污泥浓缩池结构剖面图

3 结构设计

3.1 荷载组合

污泥浓缩池的结构设计，应根据水池的型式及其工况取不同的荷载效应组合[1]，本算例的荷载组合详见表2。

表2 荷载组合表

3.2 建模计算

基于世纪旗云软件中的水池模块进行污泥浓缩池的三维有限元模拟计算。污泥浓缩池在结构承载能力极限状态计算时，发现在荷载的基本组合下，最不利组合中的弯矩起控制作用。水池环形壁板和圆形底板在X向及Y向的弯矩应力云图如图3所示。

由图3 可知，在基本组合的最不利工况下，由于污泥浓缩池的壁板顶部自由无约束，所以环形壁板的Y 向顶端弯矩为0，且Y 向的弯矩由上至下越来越大，最大弯矩为65.70kN·m；环形壁板X 向弯矩的变化规律也呈现为由上至下逐渐变大，最小弯矩为41.00kN·m，最大弯矩为60.80kN·m。污泥浓缩池底板的弯矩，X 向与Y 向变化规律相似，均为壁板与底板相交的角隅处弯矩最大，由底板四周向中心逐步变小，X向的最大弯矩为15.60kN·m，Y向的最大弯矩为51.80kN·m。弯矩云图整体展现的应力变化趋势与结构的力学计算模型拟合度较好。

图3 基本组合下的弯矩云图

根据《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》[1]的要求，水池构件应进行准永久组合下的裂缝宽度验算。由于污泥浓缩池的防水等级为二级，根据规范要求，最大裂缝宽度限值wmax≤0.20mm。按正常使用极限状态计算时，污泥浓缩池的壁板和底板在准永久组合下，最不利的位移云图分布如图4所示。

图4 准永久组合下的裂缝云图

通过水池的裂缝云图可以看出，壁板的较大裂缝主要分布在壁板的底部区域，裂缝最大值为0.19mm；底板的较大裂缝主要分布在底板四周边缘区域，裂缝最大值为0.17mm；均满足规范要求。

由于地下水的抗浮设计水位高于污泥浓缩池的底板标高，所以应进行水池的抗浮验算：安全系数K=∑Gik/(qA)=5451.93/1551.70=3.514＞1.1，满足规范要求。

最后，还需进行水池的抗震计算。由于污泥浓缩池径高比比较大，在地震作用下，池壁的空间作用不显著，而且污泥浓缩池没有顶板，力学模型可简化为池壁上端自由的悬臂结构，结构刚度相对较小，因此在实际工程中，污泥浓缩池的震害相对较少。本工程算例位于7 度区，设防烈度相对较低，在满足结构抗震构造措施的前提下，可不进行地震作用的验算[2-3]。水池结构的抗震构造措施包括：受拉钢筋的锚固长度、壁板跟底板的配筋率等等，详见SH/T 3132—2013《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》[1]的相关要求。

根据上述计算数据，对池壁与底板进行配筋计算，计算结果详见表3。钢筋计算面积的单位为mm2/m。

表3 配筋表

根据配筋表绘制污泥浓缩池配筋结构图，详见图5。池体受力钢筋的材质均为HRB400，构造钢筋的材质为HPB300。

图5 污泥浓缩池配筋图

4 结束语

本文基于世纪旗云软件中的水池计算模块，对污泥浓缩池进行了三维有限元模拟与计算，计算工况包括：持久设计工况（正常操作）、短暂设计工况（蓄水试验）、地震设计工况。并对以上工况分别进行了荷载频次组合计算，然后根据计算结果对污泥浓缩池的壁板与底板配筋包络设计，并绘制结构配筋图。在设计过程中发现：污泥浓缩池的配筋主要取决于以下两方面。

（1）承载能力极限状态：基本组合下的最不利弯矩起控制作用。

（2）正常使用极限状态：准永久组合下的裂缝起控制作用。