沙漠环境联体水池结构有限元分析与设计优化

李昊，沈全锋，张涛，隋新

中国石油工程建设公司，北京100101

沙漠环境联体水池结构有限元分析与设计优化

李昊，沈全锋，张涛，隋新

中国石油工程建设公司，北京100101

非洲某国沙漠地区长输管道站场工程中的大型联体水池，由于其运行环境恶劣，结构设计独特，为双池并联对称布局、中间设置阀室结构。文章着重分析了联体水池阀室屋盖主梁支撑的两种方案：一种为主梁端与池壁固接，另一种为主梁铰支于池壁顶部，并对两种方案分别建立了对应的全池有限元分析模型，考虑温度作用和地基差异对结构内力的影响。通过对池壁和底板的弯矩，屋盖主梁的弯矩、剪切力和轴力进行计算及对比分析，结果表明，两种方案中池壁和底板的弯矩差别不大，而屋盖主梁的弯矩、剪切力和轴力差别较大，因此方案二更具优势，且阀室顶梁平板橡胶支座的节点构造更加合理。

沙漠地区；缓冲水池；联体结构；有限元分析；站场

1 工程概况

非洲某站场工程位于撒哈拉沙漠北部，建有6座大型联体水池，采用双池并联对称布局，每座水池由两个单元池和一个中间阀室组成，结构形式独特，水池平面图和立面图见图1。

水池底板卧地，主体位于地上，采用有盖结构，在池顶检修通道入口处设置小屋。单池长×宽×高为24 m×18 m×7.5 m，最高液位5.5 m，最低液位0.3 m，容量2 000 m3。内部设有减淤导流墙，左侧单元池顶部建有饮用水塔一个。

阀室平面尺寸26 m×11 m，底板相对水池下凹3 m，室内安装管道、阀门、梁式吊车和检修平台等。

工程现场位于炎热干燥的撒哈拉沙漠地区，自然条件恶劣，季节最大温差平均35℃，昼夜最大温差15℃，年最大降雨量仅200 mm。地表覆盖薄层细砂，地下是强风化或中风化岩石，局部存在密实粗砂和砾砂，揭露深度100 m以内未见地下水。根据地质勘察报告，将6座水池的地基分为四类，见表1，其中基床系数取值参见文献[1]。阀室地基为中风化岩。

图1 水池平面图和立面图

表1 水池地基分类

2 结构方案

联体水池作为大型水工构筑物，其结构形式属于典型混合结构，主体结构包含钢筋混凝土水池和阀室框架结构两大体系，通过空间变形协同和耦合效应结合在一起，因此在进行结构分析时可以将其视为两个空间子系统，分别对其受力特点进行分析，并着重研究其相互间的影响和作用。主要对基础底板、水池侧壁、阀室墙体、池盖和阀室屋盖的设计方案进行分析。工程结构主要构件截面尺寸及混凝土强度等级见表2。

表2 主要构件截面尺寸及混凝土强度等级

2.1 底板

根据工艺管道和设备安装要求，阀室和水池底板高差3 m，阀室底部埋地。水池仅底板埋地，埋深0.6 m，底板受温度作用影响不显著。因此，将水池与阀室底板连接起来，形成缓冲池整体筏板基础。阀室出水端墙外凸5 m，来水端墙内凹3 m，考虑施工方便，把阀室底板延伸至与水池外侧池壁平齐。

2.2 池壁

由表1可知，单元池底板的地基土层大多为基岩，根据CECS 138∶2002[2]第7.1.3条，露天环境下岩基水池最大伸缩缝间距为15 m；与水池尺寸比较可知，单元池短边可不设置伸缩缝，长边应设一道伸缩缝；根据该规范第7.1.4条，伸缩缝应贯通，但执行该规定的难度较大，主要体现在以下方面：

（1）池体相对位移引起的管道附加应力无法准确估算，因此与伸缩缝两侧池体相连的同一管道中必须设置柔性接头，需要修改管道设计。

（2）由于水池底板埋地且埋深仅0.6 m，周围土层无法为伸缩缝两侧池体提供足够推力。

（3）导流墙、池壁和顶板均要设缝，总长度约100 m，一旦防水失效容易引起大量渗漏。

因此，采取在结构计算时考虑温度作用、在施工时使用混凝土添加剂等减小混凝土收缩的措施，单元池长边不设伸缩缝，符合规范第7.1.3条。

2.3 阀室墙体

气象报告显示，阀室内外空气最大温差10℃，阀室内空气与池内水体最大温差5℃，因此阀室外墙与池壁之间应设置温度缝，防止墙体与池壁连接部位开裂；阀室入水和出水端墙的墙根与筏板基础相连，顶部与屋盖相连，给墙体提供足够支撑以增加稳定性。

2.4 水池顶盖

将导流墙顶部与顶盖相连，仅保留竖直墙端为自由边。导流墙作为屋顶梁板的支撑，可显著减小梁板跨度。导流墙将屋面板分隔为等边双向板格，顶盖内部由墙体支撑，不单独设柱，节省了空间。水池顶梁支撑于池壁顶端，梁端池壁在集中力作用下容易开裂，因此在池壁顶部设置构造圈梁，与池壁同宽，圈梁的设置同时提高了顶盖的整体刚度。

2.5 阀室屋盖

阀室屋盖为梁板结构，屋盖主梁支撑有如下方案：方案1为主梁端与池壁固接，阀室屋盖与池顶盖连为一体；方案2为主梁铰支于水池壁顶部，屋盖与池顶分离；方案3为在阀室内建造框架柱，用于支撑屋盖。

考虑到室内立柱会影响吊车运行、管道布置与检修作业，不能满足工艺要求，因此仅研究方案1、2。

3 有限元分析

借助有限元软件MIDAS/GEN建立整座水池的有限元分析模型，并通过选用合理的荷载与组合、设定合理的边界条件来模拟结构的实际工作状态，可以计算得到较为符合实际情况的结构内力。

3.1 荷载组合

荷载输入包括恒荷载、活荷载、水压力和温度，不考虑地震作用。岩石地层的水平主动土压力数值很小，为建模方便按照恒荷载输入。根据规范CECS 138∶2002确定24种荷载组合并考虑温度作用的折减系数[3-4]。表3列出其中7种主要组合。

根据规范CECS 138∶2002计算得到湿度当量温差为8.5℃，气象报告提供的壁面温差为10℃，因此梯度温差取10℃；取系统初始温度为施工期间结构平均温度25℃；调查当地既有水工结构样本并实测结构最高与最低平均温度，取系统升温5℃、降温10℃。温度荷载见表4。

表3 荷载组合

表4 温度作用

3.2 方案1

考虑到底板对池壁的嵌固作用，取最不利情况，令底板与池壁厚度相同。在池壁和导流墙顶部设置构造暗梁，与所连接的屋盖梁同高。为简化建模，顶板按照恒载输入，在有限元模型中不建立几何板单元，将阀室入水和出水端墙按照恒载输入。阀室与单元池的顶盖位于同一标高，厚度相同。

采用厚板单元模拟侧壁和底板，网格划分尺度为1 m。采用梁单元模拟梁柱，释放次梁两端转动约束，形成铰接连接。考虑到基岩对底板的较强约束，限制底板水平自由度Dx和Dy。根据文克尔弹性地基假定，用面弹簧支承模拟地基反力。方案1的计算简图和有限元模型见图2。

图2 方案1计算简图与有限元模型

3.3 方案2

相比方案1，方案2做出如下调整：

（1）阀室屋盖主梁两端铰支于池顶，在有限元分析时使用弹性连接进行模拟，实际工程采用平板橡胶支座实现。设置竖向、梁轴纵向和平面内转动三个弹簧刚度，取值根据平板橡胶支座确定。

（2）抬高9号和10号主梁，与1～8号主梁顶位于同一标高。

（3）将阀室进水和出水端墙与屋盖连接形成倒U型结构，增强阀室维护结构整体刚度，在建模时墙体仍被视作恒荷载输入。

相比方案1，方案2有利于消除温度荷载对主梁的不利影响，因为方案1中阀室屋盖主梁两端固支，梁端会产生较大负弯矩，梁端圈梁会产生扭矩，而且温度荷载施加后主梁必然产生附加轴力。另外，在有限元分析时，由于温度荷载的取值与实际环境吻合，一旦出现极端温度作用，方案1的结构安全无法保证。方案2的计算简图和有限元模型见图3。

图3 方案2计算简图与有限元模型

4 计算结果对比

4.1 池壁和底板

池壁和底板弯矩见图4～5，其中横轴代表池壁和底板的构件编号，纵轴为每块池壁水平弯矩Mxx和竖向弯矩Myy绝对值的最大值。构件编号以左池为例，其最左侧池壁编号为1，其他池壁按顺时针顺序编号为2～4，左池底板编号为5；右池采用相同编号规则。从图4可以看出，对于水平弯矩Mxx，池壁4号和9号变化稍大，主要是由于方案2中梁端弹性连接转动刚度被赋予一个极小值，传递给池壁的弯矩近似为零；而在方案1中，主梁的梁端弯矩限制池顶转动，对池壁属于有利约束。从图中也可看出，对于同一池壁，绝对最大弯矩的变化量均小于25 kN·m，说明方案改变对池壁弯矩影响不大。从图5可以看出，两种方案的竖向弯矩Myy近似相同，表明阀室屋盖主梁两端支撑形式的改变对整块池壁水平受弯影响极其微弱。

图4 池壁和底板水平弯矩Mxx

图5 池壁和底板竖向弯矩Myy

4.2 阀室屋盖梁

两种方案的阀室屋盖主梁的竖向内力对比见图6～8，屋盖主梁水平弯矩较小，在此不作分析。从图6可以看出屋盖主梁改由弹性支座支撑后，最大弯矩和剪力有规律增大，符合由固支到铰支的变化规律；从图7可以看出，两种方案的剪力除8号、9号由于受荷面积发生了变化差别较大外，其余变化微小；从图8可以看出，方案2铰支屋盖主梁轴力基本为零，主要由于铰支屋盖主梁的轴力基本不受温度荷载影响，因此消除了方案1中极限温度作用时轴力剧增的风险，方案2结构体系明显更合理，屋盖主梁的安全系数提高很多。

图6 阀室主梁跨中弯矩对比

图7 阀室主梁梁端剪力对比

图8 阀室主梁轴力对比

基床系数差异代表地基土壤的不均匀程度，随着基床系数差异增大，地基不均匀程度提高，此时需要对其不利影响进行专门研究。在表1列出的四种地基类型中，左右单元池的地基差异由基床系数的差值来体现。为了研究地基差异对屋盖主梁内力的影响，对四种类型进行分析并做结果对比。从图9可以看出，在方案1中，阀室屋盖主梁拉力随地基差异增加而变大，压力则逐渐减小，地基土层不均匀程度最大时的拉力最大；方案2中阀室主梁的轴力趋近于零，不受地基差异影响，而屋盖主梁的竖向弯矩和剪力主要受屋面竖向荷载影响，地基差异的影响也不显著。

图9 地基对主梁轴力的影响

综上所述，对于联体结构，温度作用和地基差异对连接构件的不利影响远大于池壁和底板，在分析和设计时需要重点考虑。

5 平板支座构造

在实际工程中，为了实现方案2有限元模型中阀室屋盖主梁两端的弹性连接，根据有限元计算结果选择满足承载力要求的平板橡胶支座，节点构造见图10。

图10 阀室主梁端节点

6 结论

沙漠气候大型联体缓冲水池运行环境恶劣，结构独特。运用本文分析得到如下结论：

（1）沙漠气候昼夜温差和季节温差大，应合理确定伸缩缝的位置、数量和构造，采用腋角、暗梁和暗柱等构造措施，加强结构局部刚度与强度。

（2）单元池刚度强于中间连接结构，温度作用对连接结构的不利影响远大于单元池自身。屋盖主梁固支导致温度作用施加后主梁轴力显著增大，而铰支主梁由温度作用引起的附加轴力接近零。

（3）由于地质情况良好，差异沉降对单元池本身和中间连接结构的影响均较小。如果地基不均匀程度很大，需要专门分析差异沉降对中间连接结构内力的影响，合理选择结构方案。

（4）在各种外部荷载中，温度作用和地基差异沉降是决定联体结构选型和局部构造的主要因素，应该进行专门计算，采取有效措施。

[1]周宏磊，张在明.基床系数的试验方法与取值[J].工程勘察，2004，（2）：11-15.

[2]CECS138∶2002，给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].

[3]北京迈达斯技术有限公司.Midas Gen工程应用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.89-109.

[4]给排水工程结构设计手册编委会.给排水工程结构设计手册[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2002.808-813.

Fin ite El ement Analysis and Design Optimization of L arge Conjoined Reservoir in Desert Region

LiHao，Shen Quanfeng，Zhang Tao，SuiXin
China Petroleum Engineering&Construction Corporation，Beijing 100101，China

The large conjoined reservoir is a complex hydraulic structure in the pumping station of a long distance transmission pipeline project in harsh Sahara desert.It has unique characteristics with symmetrical twin water tanks conjoined by a valve room in between.This paper puts emphasis on analyzing two support patterns of valve room roof beams of the conjoined reservoir，i.e.one is the fixed joint between the main beam end and the reservoir wall，the other is the hinged joint between the main beam end and the reservoir wall top，and builds the finite element models of the whole conjoined reservoir according to the two patterns in consideration of the effects of temperature and foundation on structural forces.The results from calculation and comparative analysis of the bending moments in reservoir wall and bottom as well as the bending moments，shears and axial forces in valve room roof show that the bending moments in reservoir wall and bottom have less difference for the two patterns，but the bending moments，shears and axial forces in valve room roof beams have more difference，therefore，the second pattern is dominant and the structure of elastic laminated rubber bearing at valve room walltop is more reasonable.

desert region；buffer reservoir；conjoined structure；finite element analysis；station

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.01.010

李昊（1981-），男，河北衡水人，工程师，2007年毕业于北京航空航天大学结构工程专业，硕士，现从事工程勘察设计工作。

2014-04-21