集水槽为地面式钢筋混凝土结构,百万机组集水槽的高度在14 ~23 m,根据高位收水冷却塔淋水构架的柱网间距,沿集水槽纵向布置暗框架,暗框架顶梁上搁置单层配水槽,暗框架沿高度方向从上至下一定间距设置拉梁。暗框架与集水槽形成一个整体,共同受力。
集水槽主要承受集水槽内的内水压力作用,其次是单层配水槽传来的集中荷载及风荷载。内水压力随水深增加,压力越大,在内水压力作用下,集水槽壁板同时承受弯矩与拉力作用。采用传统平面假定方法不易准确计算出集水槽壁板承受的拉力,且不能根据水压力的特点进行变截面设计,同时忽略了暗框架与集水槽壁板作为一个整体,共同承受内水压力。
对于集水槽的桩基布置,传统的竖向荷载平均法计算出的桩数偏多,不易准确计算出桩承受的水平力。由集水槽结构形式及受力特点分析可以看出,集水槽各部分构件之间是相互协同作用,共同承受集水槽内水压力及其他荷载。平面假定简化计算只能顾此失彼,不能进行整体计算。因此,为准确真实地模拟集水槽结构整体受力的特性,满足结构优化设计的目的,集水槽的结构设计有必要采用三维有限元整体分析计算。
在上述荷载及工矿组合下,采用ANSYS 有限元软件进行静力计算,通过后处理后便能对集水槽各部分构件进行内力分析及结构设计。集水槽内力分析可以分为集水槽壁板和暗框架( 包括暗框架柱、暗框架顶梁、拉梁及承台梁)。
水槽壁板的水平与竖向弯矩图类似于连续梁,但与连续梁弯矩不同之处在于,集水槽壁板同时受拉力,且集水槽水平向的拉力远大于竖向所受拉力。水平向大弯矩为-258 kN · m/m,大拉力为687 kN/m ;竖向大弯矩为465 kN · m/m,大拉力为113 kN/m。因此,集水槽壁板应按拉弯构件进行配筋计算。
通过有限元三维仿真计算分析可知,集水槽壁板竖向及水平向同时承受弯矩和拉力,应按拉弯构件进行结构设计;能准确计算出暗框架各构件所受的弯矩、拉力或压力,对暗框架进行优化设计,减少集水槽混凝土工程量,节省工程造价。
对于集水槽桩基而言,三维有限元仿真计算,能准确计算出每根桩的桩顶竖向力及水平力,进行桩基优化布置和选型设计。
二沉池集水槽是污水沉淀过程中泥水、固液分离的后一道环节和工序,在实际的工程设计中,常见有3种布置形式: 内置双侧堰式、内置单侧堰式、外置单侧堰式 。内置单侧堰式、外置单侧堰式均为单侧堰进水,设计堰上负荷基本一致,从构造和水力条件来看,两者没有明显的优劣之分。内置双侧堰式的集水槽因堰上负荷小、出水水质好而应用较多。 但在近的工程设计与应用中发现双侧堰进水集水槽主要存在2个现象:
按给水澄清池环行集水槽计算公式计算得出堰上水头为 0. 03 m ,跌水头为 0. 07 m , h 值按经验取值为 0. 1 m。 结合宝洲污水处理厂二沉池工程实例,经计算孔径值为 19 mm。 而该项工程开孔为 40 mm ,可以看出与计算值的明显差异 ,成为导致沉淀后的出水大部分直接从底部平衡孔流出 ,设计均匀分布的三角堰作用降低的根本原因。为解决三角堰不能均匀集水的现象 ,主要的措施只能是减少平衡孔数。 按式 ( 2)计算 ,平衡孔数只有17个。为此本项工程在实际的运行中的平衡孔现已减少了 60个 ,其配水的均匀性及出水水质均得到了较大的改善。
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