水处理热水池温度应力有限元分析
某矩形水池结构的有限元分析
盖 活荷 ， 向土 压 ， 竖 池外 土压 ， 外 水压 ， 内水压 ； 池 池
工 况 ３ 正 常 使用 状 态 ， 内无 水 ）结 构 自重 ， 盖 （ 池 ： 顶 活 荷 ， 向土 压 ， 外 土压 ， 外水 压 。图 ３所 示 分 竖 池 池
Ｒｅ ｅ ｃ ＆ Ａｐ ｉａ ｉ ｆＢｕ ｌ ｎ ａ ｅ ｉ ｌ ｓ ａｒ ｈ ｐｌ ｔｏｎ ｏ ｉｄｉ ｇ Ｍ ｔ ｒａ ｓ ｃ
载组合形式。工况 １ 闭水试验）池 内贮水 ， （ ： 池外无
土； 工况 ２ 正常使 用状 态 ， 内贮水 ） 结构 自重 ， （ 池 ： 顶
・
８・
于 市政工程 、 石化 、 电等土木 工程领域 中。采 用有 限元软 火
件 Ａ Ｓ Ｓ 对某矩形混凝土水池结构进行 了分析。 ＮＹ ，
关键词 ： 形水池 ； 构分析 ；Ｎ Ｙ 矩 结 Ａ ＳＳ 中 图分 类 号 ：Ｕ ７ １ ３ Ｔ ６ ． 文献 标 识 码 ： Ａ
引言
水池 是城 市 自来水 厂 、 水处 理厂 、 污 生活用 水设 施 中最 为常 见 的 特种 构 筑 物 之 一 ＿ Ｊ 多年 来 ， １ 。 在
鞲 蒸
在满足工艺要求 的前提下 ， 既要保证水池 的正常使
用， 又要降低工程造价 ， 是结构设计人员首先需要考
虑 的问题 。
参考 文献 ：
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大学 出版社 ，０ ８ ２０ ．
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文章编号 ：０ ９— ４ １ ２ １ ）０— ０ ８— ２ １０ ９４ （０ １ １ ０ ０ ０
瀛洲大桥倒三角区浇注期间水化热温度监测及应力有限元分析
２ ｍ， ６ 曲线段为腿根 部厚 ２ 与 梁 固结 处厚 度 为 梁 ６ 斜 ｍ，
３． ２８ 。 ５ ｍ
设计长度 １６ ｍ， １０ 连接线道路长度 ３３ １ ８ ．ｍ。瀛洲大
桥结 构共 分 为 三 大 部 分 ， 桥 中跨 为跨 径 １０ 带 主 ２ｍ 悬 臂 刚架 的 中承 式 钢 管混 凝 土 系杆 拱 桥 ， 主桥 边 跨 为 ３Ｘ ０ ｍ带 悬 臂半孔 的无 推力 上 承 式 钢筋 混 凝 土 ５
４ ２ ｇ。 ． ６ｋ
图 １ 拱 肋 二 尺 寸 不 恿 图
此 拱肋 截 面尺 寸较大 （ 图 １所 示 ）且 采 用 高 如 ， 标 号 的水 泥 ， 混凝 土 浇注完 成后 ， 硬化 过程 中会 产 在
过大 而造成 的混 凝 土开裂是 本工 程 中非常重 要 的一 个 课题 。
入ａ Ｔ
一
＝１ Ｔ— ３ （ Ｔ）
式 中： ｈ为换热 系数 ，Ｗ／ ・Ｃ）Ｔ （ ｍ ｏ ， 为 外界 的
环境温度 ， ℃。第 ３ 类边界条件 表示 了固体 与流体
（ 如空气 ） 接触 时 的传 热条 件 。
４ 拱肋 二浇 注期 间 水化 热 温 度 场测 试 和 温 度应 力 仿 真分 析 ４ １ 测试 方法￣ Ｊ点 布置 ． －ｑ ，４ Ｓ
生大量的水化热 ， 由于混凝土导热性能较差 ， 但 导致 热 量在 混凝 土 中不 断积 累 ， 致温 度升 高 ， 而形 成 导 从 内部温度高而外部温度低 的温度梯度 ， 会产生相 当 大的温度应力 ， 以有效地监控 和防止 因温度应力 所
３ 初始条件和边界条件 热 传导 方程建 立 了温度 与 时间 、 空间 的关 系 ， 但 满足热传导方程的解有无 限多 ， 了确定需要的温 为 度场 ， 还必须知道初始条件和边界条件。初始条件
超长水池温度应力分析及探讨
提高混凝土的配筋率、 严格执行构造和施工措施来降低温度应力的影响ꎬ 从而适当调整伸缩缝间距ꎬ
并满足裂缝控制要求ꎮ 为优化超长水池的结构方案提供理论和数值依据ꎮ
关键词: 超长水池 伸缩缝 温度应力 有限元计算
特种结构
２０１９ 年 １２ 月 ｜ 第 ３６ 卷 ｜ 第 ６ 期
Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
２０１９ Ｄｅｃ ｜ ＶＯＬ ３６ ｜ ＮＯ ６
超长水池温度应力分析及探讨
吴伟 周晨 唐玉宏 张树俊
( 南京市市政设计研究院有限责任公司 ２１０００８)
摘要: 本文结合市政工程实例ꎬ 采用公式简化计算法、 有限元简化计算法和有限元整体计算法ꎬ 计算
Ｎａｎｊｉｎｇ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｉｔｕｔｅ Ｌｔｄ ２１０００８ Ｃｈｉｎａ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔａｎｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｒｅｓｉｓｔ￣
及温度应力对池体配筋的影响成为重点和难点ꎮ
根据« 给水排水工程构筑物结构设计规范»
ꎬ 通过三种计算方法的比较ꎬ 着重阐述了
应力的影响ꎮ 根据计算结果ꎬ 适当放宽伸缩缝间
距ꎬ 减少或取消橡胶止水带ꎬ 并通过严格执行构
( ＧＢ ５００６９ － ２００２) [１] 第 ６ ２ １ 条ꎬ 现浇钢筋混凝
造和施工措施ꎬ 来降低温度应力的影响ꎬ 满足超
池内 底 位 于 地 面 以 下 为 ４ ２ｍꎮ 设 计 水 深 为
大体积混凝土结构三维温度场、应力场有限元分析
Ｈｉ ｇ ｈ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｌ ｅ ａ ｄ ｓ ｔ ｏ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ａ ｐ ｐ ｅ ａ ｉ ｒ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｔ ｓ ． Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｓ： ｄ ｍａ ｓ ｓ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ； ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ｅ ａ ｔ ； ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ； ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｆ ｅｔ ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｓ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｓ ｈ ｉ ｇ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｗ ｉ ｎ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｇ ｉ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ｅ ａ ｔ ｇ ｒ ａ ｄ ｕ ａ ｌ ｌ ｙ ｓ ｐ ｒ ｅ ａ ｄ ｓ ｔ ｏ
大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究
大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究近年来，大体积混凝土的应用越来越广泛，特别是对于大跨度结构的施工，它是极具吸引力的材料选择之一，但它也有着一些不可忽视的问题，如水化热、温度应力分布等。
大体积混凝土的水化反应，会产生自身的热量，当混凝土的体积较大时，水化热量的释放是较大的，会产生较大的温度场变化，而且温度场变化会随着混凝土体积增加而增加，产生温度应力，使混凝土构件产生裂纹，影响混凝土构件的使用性能。
为此，对于大体积混凝土施工期的温度场变化和温度应力情况的研究，对于确保大体积混凝土结构安全极具重要性。
首先，针对大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究，需要具备相应的计算模型。
在混凝土水化反应的温度场分布方面，采用三维热输运方程的数值模型进行分析，通过脉冲加热法，模拟混凝土施工过程中的温度场变化情况。
此外，在水化反应和温度应力的考虑下，建立起温度应力分布模型，对混凝土施工期温度应力分布情况进行模拟，以确定施工期温度应力的分布情况。
其次，针对大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究，需要进行系统的实验研究。
在实验分析中，采用脉冲加热法，通过实验测量混凝土构件内部温度场及温度应力的变化规律，以检验数值模拟方法的准确性。
此外，在实验过程中，根据混凝土构件的水化热量的释放情况，分析大体积混凝土构件施工期内温度场及温度应力的变化规律，以及混凝土构件本身的温度应力及裂纹产生条件，为实际工程提供参考。
最后，对于大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究，需要采取一些结构设计的措施，来减少温度应力的产生，确保构件的安全及使用性能。
通常，可以采取尺寸细分的方案，适当增加混凝土构件的尺寸，从而减少温度场的变化，减少温度应力的产生。
此外，可以采取温度预热措施，在混凝土施工前，向混凝土构件内部加入适当的温度，使混凝土施工期温度场变化不明显，从而减少温度应力的产生。
以上就是关于大体积混凝土施工期的水化热温度场及温度应力研究，以及如何确保混凝土结构安全的讨论。
有限元分析在大型水池结构设计中的应用
有限元分析在大型水池结构设计中的应用摘要：本文首先分析了大型水池结构设计的方法与特点，重点分析了大型水池结构设计的荷载组合以及内力的计算方式，从而使得水池的结构能够在理论上符合强调的要求，然后以某大型矩形水池的为例，运用有限元分析的方法对水池的结构进行了定量的设计分析，以期为实践施工提供参考。
关键字：有限元分析；大型水池结构；设计；应用中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：目前，对于大型水池结构的设计，主要还是以倒楼盖法和静定分析法为主导的简化方法进行设计的计算，两种计算方法的共同点是把组成水池结构的地基、池壁及底板分离出来，各自作为单独的结构单元，然后分别对其进行独立力学分析与计算，这种计算方式对于大型水池而言的主要缺点在于很难准确的模拟出水池整体结构的实践工作状态。
本文将以有限元分析方法作为理论基础，运用ansys软件对某大型矩形水池进行结构设计上的具体分析，从而提出一种新的大型水池结构设计理论。
1.水池结构设计分析在运用有限元分析方法之前，首先是对大型水池的具体结构设计方法与特点进行基础性的分析。
1.1大型水池的荷载与内力组合（1）水池结构的作用概述结构上的自重标准值，主要是按照组成构建的实际大小进行计算，构件的体积与对应材料容重的乘积（其中素混凝土容重：23kn/m3，钢筋混凝土容重：25kn/m3）；竖直方向上土压力标准值，地下式水池在池顶板上的作用土压力用有效覆土厚度进行计算，在水池顶板的长度大于宽度10倍以上时，应将算出的土压力值与压力系数（1.2）相乘（覆土容重：18kn/m3）；侧向上土压力标准值，在计算过程中，对水池中位于水位之上部分的侧向土压力应根据郎肯主动公式进行计算，（土的容重：18kn/m3），而对于水位之下的部分的土压力应取静止状态的地下水水压力与主动土压力之和，（土的容重：10kn/m3）。
（2）水池之内的水压力水池之内的水压力依据设计水位自身的静水压进行计算（静水的容重：10kn/m3）；顶板上的荷载标准值，在不上人的情况下水池顶板上的活荷载标准值为0.7kn/m3，其准永久系数是0，而上人情况下荷载标准值为1.5kn/m3，这时准永久系数是0.4；（3）施工设备机具的荷载施工设备机具荷载主要依据施工条件进行验算，标准值根据设备机具的使用重量而不同，其准永久系数是0。
基于有限元分析某型号水箱焊接结构的优化
基于有限元分析某型号水箱焊接结构的优化有限元分析是一种常用的工程分析方法，在工程设计优化中扮演着重要的角色。
本文将基于有限元分析，对某型号水箱的焊接结构进行优化设计，旨在提高其结构强度和耐久性，同时降低材料使用和生产成本，为工程设计提供参考和指导。
一、研究背景水箱作为常见的容器设备，在工业生产和日常生活中被广泛应用。
其结构设计和焊接工艺的质量直接关系到水箱的使用性能和安全性。
目前，水箱焊接结构的设计优化主要依赖于经验和试错，缺乏系统的理论依据和科学的分析方法。
采用有限元分析对水箱焊接结构进行优化设计具有重要意义。
二、分析方法1.建立有限元模型：采用CAD软件对水箱结构进行建模，然后将建模结果导入有限元分析软件，建立水箱的有限元模型。
模型应包括水箱主体结构、焊缝及连接部位等关键部件。
2.确定边界条件：根据实际工作条件和使用环境，确定水箱的受力情况和约束条件，为有限元模型施加合理的约束和载荷。
3.进行力学分析：采用有限元分析软件对水箱结构进行力学分析，获取其受力情况、应力分布和变形状态等重要参数。
4.优化设计方案：根据有限元分析结果，对水箱焊接结构进行优化设计，包括焊缝布置、材料选型和工艺参数等方面的优化。
三、结构优化1.焊缝布置优化：根据有限元分析结果，对水箱焊接结构的焊缝布置进行优化。
通过合理布置焊缝，可以减少焊接应力集中和裂纹的发生，提高焊接结构的强度和耐久性。
2.材料选型优化：根据有限元分析结果，选择合适的材料对水箱结构进行优化。
优化的材料应具有良好的焊接性能、高强度和耐腐蚀性能，满足水箱在不同工作条件下的使用要求。
3.工艺参数优化：根据有限元分析结果，对水箱焊接工艺参数进行优化。
合理的焊接工艺参数可以提高焊缝的质量和性能，降低焊接变形和残余应力，增加焊接接头的疲劳寿命。
四、优化效果经过有限元分析和结构优化设计，水箱焊接结构的强度和耐久性得到了显著提高，焊接变形和残余应力得到了有效控制。
与传统的设计方案相比，优化设计方案具有更佳的结构性能和使用寿命，同时减少了材料使用和生产成本。
混凝土水池池壁的施工期温度场分析
混凝土水池池壁的施工期温度场分析摘要：水池做为一类特殊用途的构筑物，对于后期使用时的裂缝要有严格的控制，尤其在一些湿陷性黄土等地区。
当水池在施工后使用期间出现裂缝后，就会影响结构的性能和它的安全性。
混凝土结构水池的裂缝形成的原因非常复杂，但在施工期未注水前发生的裂缝主要是由于温度应力产生的，而温度应力的主要形成原因是混凝土水化热引起的。
本文主要采用ansys有限元分析的方法研究混凝土施工期的水泥水化产生的水化热，为温度应力的分析提供参考。
关键词：混凝土水池、ansys、水泥水化热Abstract:As a special purpose construction, the fracture should strictly control on the water basin, especially in the collapsing loess zone. It can affect the function and the safety of the construction. The reasons that cause the fracture are complex. One of the main reasons is the effecting of the temperature stress due to the concrete heat of the hydration. This article studies the heat of the hydration during the construction by using the ANSYS.Key words:Concrete basin, ANSYS, heat of the hydration0.引言水泥在水化过程中要释放出大量的热量，称为水泥水化热。
硅酸盐水泥的水化热很大，尤其是对于大体积的混凝土，由于混凝土体内的热量不容易散发出来，而混凝土表面的温度散发的很快，导致混凝土的内外部温差很大。
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水处理热水池温度应力有限元分析
作者：王吉高任全
来源：《科技创新导报》2013年第08期
摘要：该专题通过有限元分析了两个水工结构的温度应力，说明露天水池结构由温湿度作用引起的内力是不容忽视的，必须引起设计人员的足够重视。
关键词：露天水池结构温湿度内力
中图分类号：TV621 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）03（b）-0-02
净水或污水处理厂的水池投资约占土建投资的70%～80%，水池设计的虑安全性、适用性、耐久性和经济合理性尤为重要。
水池受力需要考虑水池自重、池内水压力、池外土压力、池内外温差及湿差、地面堆载等荷载。
池壁通常按照手册计算水及土压力、温差等。
架空热水池底板的温度应力，通常按经验考虑，受力状态缺乏理论分析。
在北方冬夏温差大，池壁应充分考虑温、湿差产生的内力影响。
依据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程
CECS138：2002》（简称《水池规程》），利用SAP2000有限元软件，对两个水池进行分析，为水池设计提供参考（图1）。
1 工程概况
天津某厂二次平流沉淀池，平面为矩形，尺寸42.9 m×14.6 m，水池深3.9～4.15 m，地上3.6 m，冬季池内水温30 ℃，水池无保温措施。
（水池剖面见图1）
又天津某厂浓缩池，圆形，直径12 m，高4.5 m，采用8根柱子支撑于直径10 m的调节池上，调节池地上4 m。
冬季池内水温为35 ℃。
（水池剖面见图2）
2 混凝土池壁温度、湿度应力应变关系
由于混凝土热胀冷缩的特性：夏天池壁外侧热内侧冷，壁板外侧膨胀内侧收缩，受池体整体约束，外侧产生压应力，内侧产生拉应力；冬季，池内水温高，存在壁面温差，壁板内侧膨胀外侧收缩，受池体整体约束，则内侧产生压应力，外侧产生拉应力。
另外，由于混凝土的湿胀干缩，夏天池壁外侧很干，内侧湿度饱和，所以内侧膨胀，外侧收缩。
冬季，外界气温低，池壁内外侧湿度相差不大，通常不考虑湿差应力。
但此时内外温差仍存在，故冬季只需考虑壁面温差应力。
3 有限元计算基本假定和温度变化模拟
计算时假定地基对水池底板不产生约束，混凝土为各向同性材料，混凝土弹性模量
3.00E+04（N/mm2），混凝土线膨胀系数1.00E-05（1/ ℃），泊松比0.2。
在SAP2000中指定
两个独立的荷载温度场。
温度t在厚度内恒定且产生膜应变；温度梯度t3，在厚度方向为线性，且产生弯曲应变。
温度荷载t在壳单元内产生的温度应变等于材料的温度膨胀系数和单元温度改变的乘积。
温度改变由从单元参考温度到单元加载温度的变化来计算。
温度梯度通过在单位长度上的温度变化来定义。
若温度在单元局部3轴正方向（线性地）增加，则温度梯度为正值。
在中间面梯度温度为零，因此不产生膜应变。
两个温度场在单元平面上可以是恒定的，或由在节点给定值插值而得。
水池壁面温差采用温度梯度t3来模拟，由于混凝土徐变和产生裂缝后刚度的降低等因素能显著的降低结构温度内力，因此温度引起的内力应乘以折减系数0.65（取《水池规程》第6.1.10条的ηs值）。
4 内力组合
水池设计常考虑以下3种荷载组合：（1）池内水压+自重；（2）池外土压+自重；（3）池内水压+自重+冬季温差。
前2种组合，对地下和半地下水池（当有地下水时，还应包括地下水压）为基本荷载组合，水池建成运行前及水池放空期间均属此荷载组合。
第3种组合，当池壁冬季温差大于夏季池壁的湿差（当量温差）时，属于最不利组合。
5 矩形水池池壁温差内力计算
导热系数（一侧空气一侧水）λc为2.03（W/（mK）），热交换系数（冬季混凝土与空气之间）βc为23.26（W/（m2K）），最低月平均气温TA为-4.8（℃），介质计算温度TN为30（℃），壁板厚度h=0.6（m），根据《水池规程》式4.3.5池壁温差。
℃
按三边固定，顶端自由计算，壁板高HB=4.2 m，壁板宽LB=12 m，LB/HB=2.86，按《水池规程》第6.1.10条计算与有限元计算（已经考虑ηs折减系数）对比见表1，有限元计算结果见图3、图4。
根据表1，有限元计算的温度内力稍大于查表计算，符合较好。
6 圆形水池温度应力
圆形水池中引起的温度应力较复杂，除池壁存在壁面温差外，架空池底也存在壁面温差，温度也不像矩形水池分布均匀。
（池壁、池底内力计算详见表2、表3）。
有限元模型采用壳单元模拟池壁和池底板，线单元模拟梁柱。
采用节点模式施加流体压力，壁面温差采用3-3轴温度梯度施加，温差引起的内力见图5-图8（已经考虑ηs折减系数），池内水压力引起的内力见图9-图12。
7 结语
计算可知：温湿度引起的内力不容忽视。
即使不是热水池，按《水池规程》第4.3.5-3条考虑，暴露在大气中湿度当量温差为10 ℃引起的内力是30 ℃温差的1/3，其作用相当可观。
矩形水池壁面温差按规程计算的温度内力，与有限元计算相差不大，复杂体型热水池的温度应力就必须用有限元计算。
池壁外露的水池，必须考虑温、湿度对池壁抗裂性能的影响，合理进行结构布置，采取必要的构造措施，制定切实的施工方案和加强养护，确保工程质量。
参考文献
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