唐山中厚板一次鐵皮沉淀池(以下簡稱一沉池)是唐山中厚板有限責任公司煉鋼與連鑄、軋鋼中厚板工程水處理系統中的一部分，主廠房內軋線產生的含氧化鐵皮廢水經由鐵皮溝流入一次鐵皮沉淀池，約有70%～80%的氧化鐵皮在一沉池里沉淀，廢水能夠得到初步的處理。
      本研究以此一沉池為例，研究變截面池壁內力變化規律。此一沉池為矩形水池，外形尺寸長為27m，寬為25.5m。地下水位-2.000m。由于此一沉池深度較大(最淺處深度為20.5m，最深處為22m)，地下水位較高，經計算，該一沉池池壁荷載較大，如何根據池壁內力分析結果進行池壁優化設計，關系到結構的安全和工程成本。經過方案比較，一沉池池壁決定采用變截面池壁，共分三段變化。由于此一沉池池壁采用變截面，屬于非常規截面，手算誤差較大，工作量大，為準確地進行結構內力計算和設計，該一沉池池壁采用SAP2000有限元分析程序進行內力計算。
      一沉池池壁不僅承受平面內的拉力和壓力，而且還承受彎矩和橫向力。根據池壁的受力特點，選用SAP2000中殼單元進行模擬。殼單元是一個組合了膜和板彎曲特性的3個或4個結點單元，即由平面應力單元與彎曲單元的組合單元，每個結點有6個自由度，在單元的局部坐標系內，應力和內力及彎矩在2×2的高斯積分點計算，并向外插值到單元的結點。由于池壁厚度較大，為精確計算，考慮板的橫向剪切變形，板單元選用厚板單元。
      邊界條件依據(CECS138:2002)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》確定，水池頂端無約束時為自由端，水池與底板連接時視池壁為固端支承。池壁頂端以工作平臺作為支承結構時，根據支承結構的橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為鉸支。
      結構所受荷載按(CECS138:2002)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構結構設計規程》確定大小，地下水以上的部分按朗金公式計算主動土壓力，對水池位于地下水以下部分的側壓力，取主動土壓力與地下水靜壓力之和。地面堆積荷載按規程取10kN/m2。
      本研究取一沉池中受力最不利池壁進行計算，計算模型如圖所示。此池壁長27m，深22m，邊界條件為三邊固定和一邊自由。池壁厚度在深度5、14m處由1.2m變為1.6m和2.0m。地下水位于深度2m處。有限元計算模型選用殼單元進行模擬，所受荷載按(CECS138:2002)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構結構設計規程》計算確定。
      圖所示為池壁壁中豎向彎矩變化圖，包括基本組合和準永久組合。基本組合和準永久組合的豎向彎矩變化規律基本相同。豎向彎矩在池壁底端(深度為22m)達到最大值，基本組合和準永久組合值豎向負變矩分別為-9383kN·m和-7172kN·m，池壁壁中正彎矩在深度14m處達到最大值，基本組合和準永久組合豎向變矩分別為1449 kN·m和1138kN·m。正負彎矩絕對值之比分別為6.48和6.30，這是由于池壁厚度由下到上逐漸變小，池壁豎向彎矩變化與懸臂擋水墻豎向彎矩相近。隨著池壁厚度發生變化，豎向彎矩無明顯突變。池壁壁中豎向彎矩圖形接近于二次曲線形狀，與一邊固定一邊簡支的超靜定梁受相同荷載的彎矩圖相似。
      圖所示為池壁角隅處水平向負彎矩隨深度變化圖，包括基本組合和準永久組合。基本組合和準永久組合的角隅處水平向負彎矩變化規律也基本相同。水平向彎矩在深度6m和15m處達到較大值，兩處基本組合和準永久組合值豎向變矩分別為-5972、-4438和-6713和-5125kN·m，此處均是在離截面變化位置下方1m處。在池壁厚度變化位置的2m范圍內，水平向彎矩急劇變化，深度4m處基本組合和準永久組合水平彎矩由6m處的較大值，急劇減小為-2645kN·m和-1946kN·m;深度13m處基本組合和準永久組合水平向彎矩由15m處的最大值，急劇減小為-4616kN·m和-3514kN·m。22m深度處水平彎矩達到最小值，基本組合和準永久組合水平向彎矩分別為-182kN·m和-141kN·m。隨著池壁厚度發生變化，角隅處水平向彎矩由底向上變化的范圍相差不大，截面變化的局部位置角隅彎矩變化速率較大。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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