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唐山中厚板一次鐵皮沉淀池(以下簡(jiǎn)稱一沉池)是唐山中厚板有限責(zé)任公司煉鋼與連鑄、軋鋼中厚板工程水處理系統(tǒng)中的一部分，主廠房?jī)?nèi)軋線產(chǎn)生的含氧化鐵皮廢水經(jīng)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(nèi)力變化規(guī)律。此一沉池為矩形水池，外形尺寸長(zhǎng)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(jīng)計(jì)算，該一沉池池壁荷載較大，如何根據(jù)池壁內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行池壁優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)系到結(jié)構(gòu)的安全和工程成本。經(jīng)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(guī)截面，手算誤差較大，工作量大，為準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算和設(shè)計(jì)，該一沉池池壁采用SAP2000有限元分析程序進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。
一沉池池壁不僅承受平面內(nèi)的拉力和壓力，而且還承受彎矩和橫向力。根據(jù)池壁的受力特點(diǎn)，選用SAP2000中殼單元進(jìn)行模擬。殼單元是一個(gè)組合了膜和板彎曲特性的3個(gè)或4個(gè)結(jié)點(diǎn)單元，即由平面應(yīng)力單元與彎曲單元的組合單元，每個(gè)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，在單元的局部坐標(biāo)系內(nèi)，應(yīng)力和內(nèi)力及彎矩在2×2的高斯積分點(diǎn)計(jì)算，并向外插值到單元的結(jié)點(diǎn)。由于池壁厚度較大，為精確計(jì)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(jù)(CECS138:2002)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》確定，水池頂端無約束時(shí)為自由端，水池與底板連接時(shí)視池壁為固端支承。池壁頂端以工作平臺(tái)作為支承結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)支承結(jié)構(gòu)的橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為鉸支。
結(jié)構(gòu)所受荷載按(CECS138:2002)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》確定大小，地下水以上的部分按朗金公式計(jì)算主動(dòng)土壓力，對(duì)水池位于地下水以下部分的側(cè)壓力，取主動(dòng)土壓力與地下水靜壓力之和。地面堆積荷載按規(guī)程取10kN/m2。
本研究取一沉池中受力最不利池壁進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖所示。此池壁長(zhǎng)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?yōu)?.6m和2.0m。地下水位于深度2m處。有限元計(jì)算模型選用殼單元進(jìn)行模擬，所受荷載按(CECS138:2002)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》計(jì)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(zhǔn)永久組合。基本組合和準(zhǔn)永久組合的豎向彎矩變化規(guī)律基本相同。豎向彎矩在池壁底端(深度為22m)達(dá)到最大值，基本組合和準(zhǔn)永久組合值豎向負(fù)變矩分別為-9383kN·m和-7172kN·m，池壁壁中正彎矩在深度14m處達(dá)到最大值，基本組合和準(zhǔn)永久組合豎向變矩分別為1449 kN·m和1138kN·m。正負(fù)彎矩絕對(duì)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(fā)生變化，豎向彎矩?zé)o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(jiǎn)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(fù)彎矩隨深度變化圖，包括基本組合和準(zhǔn)永久組合。基本組合和準(zhǔn)永久組合的角隅處水平向負(fù)彎矩變化規(guī)律也基本相同。水平向彎矩在深度6m和15m處達(dá)到較大值，兩處基本組合和準(zhǔn)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(nèi)，水平向彎矩急劇變化，深度4m處基本組合和準(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)到最小值，基本組合和準(zhǔn)永久組合水平向彎矩分別為-182kN·m和-141kN·m。隨著池壁厚度發(fā)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。
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