HPS澄清池结构形式的优化分析

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(1.杨凌职业技术学院, 陕西 杨凌712100； 2.咸阳第一建筑工程有限公司， 陕西 咸阳 712000)

0 引 言

新型澄清池技术是集反应、混合、絮凝、悬浮泥渣吸附和澄清分离、旋流沉淀于一体的先进的水净化处理技术, 该澄清池的内外层共用一个池壁, 使其结构更加紧凑、效能也有很大的增强，是甘肃金桥给水排水设计与工程有限公司为了处理高浊度水而研究和开发的给水处理工艺中的一种主要构筑物。这项新技术为集中解决沿黄流域的中小水厂的水质净化的较为理想的处理工艺,为已有的高浊度水厂改造与新水厂建设提出了一种先进的新技术。它应用于中小水厂工艺流程短,可以用人工或自动排泥，节约劳动力,方便快捷,可以运用于高浊度水的滤前净化工艺[1]。

新型澄清池技术它具有工艺技术先进、日处理水量高、结构设计新颖和规模大等优点，所以它是一种值得广泛应用和推广的新型给水处理技术。该技术在地震烈度为8度的西安和兰州地区的应广泛推广, 本文通过减小壁厚并改变结构形式对原方案进行优化，建立两种方案整体结构有限元模型，通过计算分析,评估优化后模型的可靠性。

1 HPS澄清池的技术简介

“HPS新型澄清池”是由西安建筑科技大学与甘肃金桥水科技集团共同创新和研发的一种新型澄清池结构，其前身为“高效澄清池”，其工作原理如图1。

1.1 HPS澄清池的工作原理及工艺流程

澄清池池体主体为钢筋混凝土结构,其导流板、反应筒、集水槽和挡泥板等部件为钢板，导流室壁的坡度是55°-60°，混凝室的锥形坡度为45°。其工艺流程和工作原理如图1。

(1)在管道混合器中混凝剂与原水充分混合后，当其进入中筒后于I区进行混合反应。经过混合反应后部分悬浮物会在Ⅱ和Ⅲ区实现沉淀并分离。

(2) 完成旋流后的浑水进行流态稳定后由中筒上部的导水板翻入中筒与导水板之间的絮凝区，完成絮体成长；

(3)流出导水板的浑水随后进入外侧的污泥悬浮区域Ⅴ，在此区域完成接触絮凝。

(4) 在澄清区Ⅵ因水流进入并上升时流速骤减，浑水则挟絮体由此实现固液分离。

(5)为进一步控制水中残余絮体，于Ⅵ区上部增设斜管。

(6) 由于静水压力特别大的原因，打开排泥阀时，澄清池的底部及中筒以下设置的45°锥体泥斗处，底部产生的高流速，会通畅的排出积泥。

新型澄清池集旋流沉淀、混合、悬浮泥渣过滤和澄清等工艺流程在同一池体内实现，其排泥方式采用的是两步重力式排泥。

图1 HPS澄清池工作原理图

1.2 两方案澄清池的结构形式

HPS澄清池共2组，每组产水量为2 500 m3/h，其工艺尺寸为86.9×17.1×6.8 m3和86.9×17.1×7.2 m3的钢筋混凝土结构。混凝土的强度为C30防水混凝土，两方案的设计剖面图如下图2、图3 所示，构件尺寸对比见下表1，构件参数见下表2。

图2 原方案澄清池的剖面图(单位:mm)

图3 优化后HPS池的剖面图(单位:mm)

两方案板厚板名称 原方案(mm)优化后方案(mm)池壁 850350锥体2400350锥体1800400

表2 各构件的参数说明

2 澄清池有限元模型

将澄清池几何模型利用MIDAS/Gen将其进行网格划分，用板单元来模拟池体底板、池壁和圆锥体，用空间梁单元来模拟梁、斜支撑、斜拉杆和柱等构件，用墙单元来模拟剪力墙，建立其三维有限元模型。两方案澄清池的整体结构模型见图4、图5。

2.1 两方案澄清池的有限元模型对比

模型中各构件的具体位置和尺寸见图2、图3和表1。对比图4、图5两方案整体模型可知：原方案的结构形式为板—拉结构，优化后结构形式为框架结构。

2.2 池体的运行工况

根据澄清池实际工作的运行情况，澄清池池体所受活荷载主要为水荷载，需考虑澄清池池体以下3种荷载组合：

(1)内池和外池均考虑水荷载(见图6)；

(2)外池考虑水荷载，内池不考虑水荷载(见图7)；

(3)内池考虑水荷载，外池不考虑水荷载(见图8)。

图4原方案澄清池整体模型图5优化后澄清池整体模型

图6内池和外池均满水图7外池满水图8内池满水

3 两方案结构有限元分析比较

根据澄清池正常使用阶段的最不利工况组合，结合CECS 138-2002，并依据GB50010-2010，两种模型分别进行静力计算、模态分析和反应谱分析，对比分析两模型的位移和内力结果并比较分析两结构形式的受力特点。在计算中，池体的静力荷载组合按以下4种情况进行考虑。

组合1: 1.0恒荷载 + 1.0内外池满水时的活荷载

组合2: 1.2恒荷载 + 1.27内外池满水时的活荷载

组合3: 1.2恒荷载 + 1.27外池满水时的活荷载

组合4: 1.2恒荷载 + 1.27内池满水时的活荷载

3.1 两方案澄清池结构静力比较分析

分别计算两模型在以上4种荷载组合作用的内力和位移，对比分析其计算结果，验证优化后的结构形式从受力特征和变形性能上的提高作用明显。

3.1.1 池体位移对比分析 经计算，在组合2工况下，两方案都出现最大位移，两方案在最不利组合下的位移等值线如下图9、图10。其最大位移出现的位置及其值见表3、表4。

图9 组合2工况下原方案池体位移等值线图

由图6可以看出，原方案池体在组合2(内池外池满水)工况下，矩形池壁、锥体池壁变形较大，其中变形最为明显是矩形池壁y方向。优化后方案池体中池壁的变形很小，各池壁中变形最明显的是矩形池壁，其最大位移为Uy=1.55 mm，而最大位移发生在环梁处。两方案的最大位移及其出现的位置见表3，由表3可得两方案均满足规范限制值Δ/L<1/200要求。

图10 组合2工况下优化后池体位移等值线图

方案名称最大位移值(mm)出现的位置规范限制(mm)原方案4.973矩形池壁上端中部84优化后方案16.870环梁1与斜拉杆1的交界处84

由上述分析可得，优化后的池壁的变形很小，而澄清池作为水处理构筑物,对裂缝要求比较严格，一旦混凝土池壁开裂将出现漏水现象, 不仅会降低其水处理能力, 还会对后期使用造成安全隐患。

因此优化后的结构, 从使用性能上可以得到很大的提高。

3.1.2 池体内力对比分析 对比两方案可得，优化后澄清池由于结构体系的变化，使整个结构内力变化很大，其中最为突出的是对锥体和矩形池壁的影响，所以本文将重点对比分析锥体和矩形池壁的内力。两方案结构形式的最不利内力及出现的位置见表4。

数据表明，改变结构形式后不仅可以减小澄清池池壁厚，使结构的自重减轻，而且增强了结构的整体刚度，降低了构件的内力值，结构的受力也更加合理。

本节利用有限元软件计算分析两种方案澄清池整体结构模型，计算过程中按承载能力极限状态方法计算在最不利工况下两种方案结构的受力性能，按正常使用极限状态方法验算结构的裂缝宽度和抗裂度，根据内力计算结果对结构构件进行配筋计算，验算表明其配筋结果既满足强度和刚度的要求，也满足规范有关抗裂度要求。

验算结果还表明，减小池体池壁厚改善了结构的整体刚度和降低了结构的内力值，但由于减小了截面受力面积，导致结构的抗裂度下降。因此，若采用普通混凝土结构，减小池壁厚度对结构的抗裂度较为不利，优化后方案结构计算中，在进行水平拉梁抗裂度验算时，为了满足规范要求，所配钢筋较密，考虑到施工方便建议对该梁施加预应力。

表4 最不利工况下两方案的内力对比表

3.2 两方案澄清池结构的动力比较分析

池体的动力分析计算是基于静力计算的模态分析和在考虑到水平地震荷载下的振型分解反应谱法来计算地震反应。在建筑结构中，计算地震力最实用的方法就是反应谱法，这种方法设计比较方便，它是将地震荷载等效计算后，按静力方法来计算，在地震作用下按此方法求出的内力可以代表结构的最不利内力组合，按此内力设计的截面，也可达到抗震设防的要求。对两种方案的结构模型均采用反应谱方法进行计算，在水平地震荷载下的位移图如图11、图12。由图可知，x向的位移较原结构减小约41.1%，而对于y向的位移而言，优化后方案较原方案减小约33.6%，对比可知，梁板柱框架结构的结构比原方案采用板柱结构的抗侧移能力得到很好的提高。

在水平荷载作用下，由于结构对称，池体的变形也对称。在十阶以下振型时，两方案模型在x或者y方向反应谱下，整个池体均表现出很明显的刚性特性，其池壁表现为刚性平动。当十阶以上振型时，两方案的矩形池壁都分别出现局部振动，原方案的局部振动出现在矩形池壁中部上端位置，而优化后的结构由于池壁上梁的作用使池壁的振动有效减小，故优化后的结构形式对限制结构的局部振动有很大的提高。

图11 原方案x方向反应谱下结构位移图

图12 优化后方案x方向反应谱下结构位移图

经计算可知，两方案的在x或y方向反应谱下池体的应力分布很相似，最大应力均出现在锥体1的下部，矩形池壁下角点，而优化后结构的水平拉梁和池壁的交界处得应力的也比较大，这些部位不同程度的出现了应力集中，相应位置都应该注意加强。

4 结 论

本文运用大型有限元分析软件MIDAS/Gen，以实际工程为研究对象，通过计算，研究两方案澄清池池体结构的静力、动力特性，可得出以下结论：

(1)在静力和动力作用下，优化后澄清池模型的力学特性得到有效的提高。通过分析结果可以得出，优化后主体结构在静力和动力荷载下也表现出良好的使用特性。

(2)为保证结构能够安全且正常使用，对澄清池池体结构，需要求其裂缝宽度在正常使用阶段满足具体规范要求，对裂缝要求高的结构还需验算其抗裂度是否满足规范要求，因为混凝土一旦开裂，整个池壁将贯通裂缝，不仅会造成水池漏水现象，而且裂缝的出现还会使整个结构的耐久性降低，使结构不能正常使用。结构正常使用时，如果优化后池体采用普通钢筋混凝土结构，要求结构的环向裂缝宽度或者其抗裂度满足具体规范要求时，在结构计算后水平拉梁2的配筋会很大，造成施工困难，为使材料强度能充分利用，对水平拉梁建议采用预应力混凝土构件。

(3)由于结构本身的复杂性，由模态分析可知模型局部振动振型和整体平动振型交替出现的顺序及其阶数。故模型的计算分析为实际工程的设计提供了很好的理论依据。

参考文献：

[1] 张引弟,刘世忠．新型澄清池结构的动力分析计算[J]．山西建筑. 2006，(7).

[2] GB50032-2003，中华人民共和国国家标准，室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规程 [S].

[3] GB50010-2010,中华人民共和国国家标准，混凝土结构设计规范[S].

[4] CECS 138-2002,中国工程建设标准化协会标准, 给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程 [S].

[5] GB50009-2001,中华人民共和国国家标准，建筑结构荷载规范.[S]