浅谈Staad.Pro软件在水池结构计算中的应用

摘  要：水池作为工业设计中的常见结构类型[1]，其在工业设计中占有重要地位。本文结合工程实例，介绍了采用计算软件Staad. Pro对某钢筋混凝土水池建模、加载和后处理过程，并将数值模拟结果与水池规范计算结果进行对比分析，结果表明采用Staad. Pro计算软件所得结果具有较高的精确度能够满足规范要求其，可为类似结构的建模和数值分析提供参考。

关键词：水池Staad.Pro建模;壁板弯矩分析;水池规范验证

中图分类号：TU375    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）03-0000-00

0 引言

在实际工程中，由于水池深埋地下并用于贮水，故池壁承受较大水压力、土压力。设计中，设计人员通常采用规范公式手算或者计算软件对池体进行计算分析，本文笔者结合工程实例，采用有限元软件Staad.Pro对水池进行整体建模计算分析，并将软件计算结果与规范计算结果进行对比比较，分析二者差异。另通过对多个带横向走道板水池结构模型的池壁顶端最大位移和池壁竖向支座弯矩数值进行对比分析，验证水池规范中“走道板可作为池壁支承构件”理论的正确性。

1 工程概况

如图1所示，某炼厂地下敞口式雨水监控池，池体尺寸：24m×10m×6m，埋深5.8m。设计池壁厚0.5m，池底板厚0.6m，底板挑出长度1.0m，池底板下增设0.5m厚平衡层，每边宽出底板0.1m。本场地地下水位埋深为0.10～1.20m，设计最高地下水位可按地表考虑。工程场地抗震设防烈度7度，地基持力层为③1层粘土，地基承载力特征值140kPa。

2 建模与加载

2.1 建模

如图2所示，水池空间模型的建立：选择板单元构建水池整体模型后，采用四边形网格，对板单元划分网格，大小为0.5m。定义截面厚度：创建0.5m、0.6m板单元，设定板单元材料为混凝土。指定池壁板单元截面厚度0.5m，池底板单元截面厚度0.6m。建立支座约束条件：在支座创建命令里选择基础—板筏基础—方向Y—无。其中，地基压缩模量即地基基床反力系数，从《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》SH/T3132-2013根据土的类型查出K取值范围2.0～4.0x104 kN/m3。本例持力层为可塑粘性土，基床系数取20000kN/m3[2]。选定池底板单元，添加基础支座约束。

2.2 荷载施加

水池内水压力标准值按设计水位的静水压力计算，本例取水的重力密度10kN/m3，同时考虑池内最不利水位进行计算。土压力标准值计算：位于地下水位以上的部分可按朗肯公式计算主动土压力，土的重力密度取18kN/m3;对于地下水位以下部分的侧压力应为土的侧向土压力和地下水的静压力之和，此时土的重力密度应取有效重力密度。地下水对水池作用力标准值取值，地下水的设计水位按照勘察部分提供的数据确定可能出现的最低水位和最高水位，本例最高水位按池壁顶端计算。

本例为地下式敞口池，抗震设防烈度7度，故只需考虑池壁和底板受力，地震荷载、风荷载、温度、湿度引起的间接荷载不需考虑[3]。池壁受力主要为池内水压力和池外水土压力。池底板受力主要为池内水自重、池体自重、池底水浮力和底板顶面以上挑出部分水土压力。因本例设有平衡层，考虑到池体自重、平衡层与底板上作用荷载的相互抵消作用，故建模加载荷载时可以不添加该类荷载。

荷载工况一般有蓄水试验、空池和正常操作三种工况。图3所示，蓄水试验工况为自重和池内满水组合;图4所示，空池工况为自重与池外水土压力组合;正常操作工况为自重、池内满水和池外水土压力组合。正常操作工况时，池内满水对壁板的作用力方向与池外水土作用对池壁的作用力方向相反，有抵消效果，故相比而言，最不利工况出现在蓄水试验或空池工况，故本例简化，只计算蓄水试验和空池工况。池内水和池外水土压力采用板单元静水压力荷载加载，选取受力板单元，沿总体坐标系Y轴线性插值。

3 壁板弯矩分析

在主菜单里选命令—分析—线性分析，然后选分析—运行分析。运行完毕后，在后处理板单元查询处理结果。选板单元-等值线，出现选择对话框。在对话框中，选择需要分析的工况，在应力类型选全局坐标弯矩，然后通过选择全局坐标结果方向得到相应的弯矩图形。由壁板彎矩分析结果可得出在蓄水试验和空池工况下板单元上弯矩值变化趋势。长壁板和短壁板水平向弯矩极大值出现在水平支座处，长壁板的竖向弯矩极大值出现在竖直支座处，而短壁板的竖向弯矩极大值出现在壁板竖向跨中偏下位置（为便于列表，表格中的短向壁板竖向弯矩极大值仍写为竖向支座弯矩）。将两种工况下极值选出如表1所示，对比数据可知，空池工况为最不利工况。

4 Staad.Pro结果与规范结果对比

4.1 壁板弯矩对比

按石油化工钢筋混凝土水池设计规范SH/T 3132-2013计算壁板。敞口矩形水池的壁板与底板连接视为固端连接，池壁板按三边支承，顶端自由计算。在侧向荷载作用下，当L/H<0.5时，H>2L部分按水平向单向计算，底部H=2L部分按双向计算，H=2L处可视为自由端;0.5≤L/H≤3，按双向计算;L/H>3时，按竖向单向计算。其中L为壁板的计算长度，H为壁板的计算高度。计算结果与空池工况结果对比见表2：

从表2数据可知，对长向壁板弯矩极大值，规范计算结果比Staad.Pro计算结果大;水平支座弯矩规范计算结果比Staad.Pro计算结果大1%，竖向支座弯矩规范计算结果比Staad.Pro计算结果大20%。对短向壁板弯矩极大值，竖向支座弯矩，规范计算结果比Staad.Pro计算结果大62%，而对于短向壁板弯矩水平支座方向，规范计算结果却比Staad.Pro计算结果小120%。原因在于：Staad.Pro算法是整体建模计算，壁板按固端连接考虑，所以计算结果长向壁板与短向壁板水平支座弯矩相差不大。而依据规范计算，是将壁板分为单双向受力按单块矩形板考虑，假定三边支承上端自由来得出的结果，故水平支座弯矩值不一致。

4.2 壁板支承系统构造验证

当池壁顶端走道板厚度不小于200mm，宽厚比不大于5时，其横向水平支承构件（板或梁）的间距与池壁计算高度比值小于2，且走道板满足横向受力要求，走道板可作为池壁的支承构件。在满足构造要求的情况下，按下列条件取为弹性固定支承或不动铰支承：

（1）在满足构造要求的情况下，走道板可作为池壁顶端的弹性固定支承，该弹性固定支承的反力系数可按下式计算：

式中：走道板水平向计算跨度（L）与池壁计算高度（H0）的比值;池壁计算宽度，可取b=1m;走道板横截面惯性矩（IL）与池壁截面惯性矩（IH）的比值。

（2）在满足构造要求的情况下，当符合下式要求时，走道板可视为池壁顶端的不动铰支承：

走道板宽度d取1.0m，走道板厚度t取0.4m，池壁板厚度h取0.5m，H0=6m。走道板作为池壁支承构件简图5所示：

在原模型基础上沿长向池壁单侧增加走道板，按横向单水平走道板、横向双水平走道板、横向三水平走道板、横向四水平走道板等建立模型，横向走道板均分长向池壁，走道板详图如图6-图10所示。在原模型基础上建带顶盖板的池体模型，顶盖板厚度相同，带顶盖板模型如图11所示。通过软件计算各模型在空池工况下，走道板一侧池壁顶端节点的最大位移值和最大位移出现处宽度0.5m壁板与底板交接处竖向支座弯矩值变化，具体数值及相关参数见表3。

由表3和图12可知：仅沿长向池壁加走道板，无横向走道板时，αT 为0.21，基本无支承效果;随着横向走道板数量的增加，计算跨度L逐渐减小，αT 数值逐渐接近1，池壁顶端节点位移最大值也逐渐减小，竖向支座弯矩值逐渐减小，由此可验证走道板可作为池壁的支承构件。当ng≥0.25m4 H0/b 时，即三横走道板模型及横走道板数多于三的池体模型，池壁顶端节点位移最大值为0.35mm;而且此时竖向支座弯矩113.21与池顶带盖板时弯矩值104.55相比，差值较小，故此种情况下，走道板可近似视为池壁顶端的不动铰支座。

5 结语

本文结合工程实例，介绍了Staad.Pro在水池结构设计中的建模、加载和后处理过程。将Staad.Pro软件壁板计算结果与规范计算结果進行比较，得出三维设计结果更接近实际，为工程设计优化方案、节省投资，提供参考方法。此外，采用Staad.Pro软件建立带横向走道板池体模型，验证规范中走道板可以作为池壁支承构件的理论，以及当ng≥0.25m4 H0/b 时，走道板可视为池壁顶端不动铰支座结论的正确性。

参考文献

[1] 周世光.STAAD.Pro在池类结构建模中的应用[J].医药工程设计，2009（5）：53-56.

[2] 顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，等.地基与基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3] SH/T 3132-2013.石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范[S].

收稿日期：2020-02-24

作者简介：陈耀辉（1986—），男，河南夏邑人，硕士，工程师，研究方向：炼油化工结构设计。