地下沼气池池壁土压力取值方法及池盖受力分析

第 27 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 Vol.27 No.4 270 2011 年 4 月 Transactions of the CSAE Apr. 2011 地下沼气池池壁土压力取值 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 及池盖受力分析 宫婉婷，丁 敏，徐庆磊，蒋秀根※ （中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083） 摘 要：为保证地下沼气池结构的安全性，采用 Rankine 土压力理论比较了 3 种常见土质的静止、主动和被动土压力， 并确定了地下钢筋混凝土圆形沼气池池壁土压力取值方法；根据线弹性有限元分析方法，研究了平板、球壳和圆锥台 3 种不同形状的沼气池池盖受力性能。结果表明：地下沼气池池壁土压力宜取其静止土压力计算；环梁的设置可以使中部 开圆形洞口的圆锥台形池盖的最大应力减小约 40%，宜为其设置环梁。 关键词：沼气，设备，受力测量，池壁，土压力，池盖 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.04.048 中图分类号：S216.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-04-0270-07 宫婉婷，丁 敏，徐庆磊，等. 地下沼气池池壁土压力取值方法及池盖受力分析[J]. 农业工程学报，2011，27(4)：270 －276. Gong Wanting, Ding Min, Xu Qinglei, et al. Earth pressure on pool wall and stress analysis on pool cover of underground biogas digester [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(4): 270－276. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 农村沼气集经济、社会、生态于一体，它不仅是改 变农村用能结构、使用清洁、高效能源的一项基础设施， 还是一项能够改善农村卫生面貌、保障农民身体健康、 提高农民生活品质的战略措施。 由于沼气池建造在地面以下，其受力状态十分复杂。 对于池壁，不仅需要考虑土压力的问题，还要考虑沼气 池上部活荷载的影响。当沼气池上部没有活荷载时，可 以按照静止土压力计算；当沼气池上部出现较大的活荷 载时，即考虑地面超载的情况下，它的极限状态如何计 算（按照主动、被动还是静止土压力计算）， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 人员 尚未达成共识。 农村家用沼气池设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 [1]中规定了沼气池设计荷 载的确定方法以及混凝土的厚度等。文献[2]表明，池盖 采用合理的形状能够提高结构承载能力、节省材料。池 盖的形状及其中心开洞大小会对其受力性能产生很大的 影响[3-5]。 多项研究表明，利用 ANSYS 结构分析软件对沼气池 池盖的受力性能进行数值分析，能够得到可靠的结果[6-8]。 本文旨在为沼气池池壁外土压力的取值方法和池盖的设 收稿日期：2010-07-13 修订日期：2011-03-08 基金项目：教育部中央高校基本科研业务费专项资金项目（2009-3-11）；科 技部“十一五”国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目（2008BADC4B03）；新世纪优秀人 才计划（NCET-08-0542）；国家自然科学基金资助项目（50979108）；中国 农业大学 URP 项目。 作者简介：宫婉婷（1987－），女，天津人，主要从事结构工程方面的研究。 北京 中国农业大学水利与土木工程学院，100083。 Email: gongwanting0902@126.com ※通信作者：蒋秀根（1966－），男，江苏大丰人，教授，硕士生导师，主 要从事结构工程方面的研究。北京 中国农业大学水利与土木工程学院， 100083。Email: jiangxiugen@tsinghua.org.cn 计提供参考。 1 研究方法 本文在考虑地面超载的情况下，比较了 3 种常见土 质的静止、主动和被动土压力的大小，对不同形状的沼 气池池壁所受土压力进行了分析，从而对其取值提出建 议；选取 3 种有代表性的池盖类型进行数值模拟研究， 所选取的分别是圆形平板池盖、球壳池盖及圆锥台池盖。 研究考虑壳体边缘的 2 种支撑情况，一种是在壳体 底部有环梁约束的情况，另一种则是没有环梁约束的情 况[9-11]。在对球壳池盖和圆锥台池盖的研究中，还考虑了 矢高比对壳体内力分布的影响。由于沼气池池盖通常需 要预留管道的孔洞，因此，该研究还对在壳体中部开圆 孔及洞口尺寸对壳体应力分布规律的影响进行了研究。 在利用有限元软件 ANSYS 进行数值模拟研究时，壳体选 用 SHELL63 单元，SHELL63 单元为 3D 弹性壳单元，具 有 4 个节点，每个节点有 6 个自由度，具有弯曲能力， 可以承受平面内荷载和法向荷载；环梁选用 BEAM4 单 元，BEAM4 单元为 3D 弹性梁单元，具有 2 个节点，每 个节点同样有 6个自由度，BEAM4是一种可用于承受拉、 压、弯、扭的单轴受力单元[12-13]。 计算模型取壳体跨度为 3 m，厚度为 150 mm；环梁 梁高为 150 mm，宽为 60 mm。池盖上覆土通常为杂填土， 土的重度取 16 kN/m3，取覆土厚度 1 m，地面超载取 15 kN/m2，荷载取 31 kN/m2 均布荷载，对于球壳池盖和圆锥 台池盖还考虑了表面覆土厚度变化对荷载大小的影响。 2 池壁处土压力取值 2.1 超载作用下 3 种土压力大小的比较 本研究对杂填土、粉质黄土和粉砂三种土质进行了 研究，其各项物理指标（内摩擦角、黏度、重度）如下 第 4 期 宫婉婷等：地下沼气池池壁土压力取值方法及池盖受力分析 271 所述。杂填土的分别为 15°、5 kPa、16 kN/m3；粉质黄土 的分别为 20°、10 kPa、16 kN/m3；粉砂的分别 15°、0 kPa、 16.5 kN/m3。填土上有局部均布荷载作用时，土压力的计 算方法有多种。其中最常用的一种方法是从局部荷载的 两端点 m，n 分别引两条与水平线成 45°+φ/2 的直线（φ 是土的内摩擦角，单位为°），交墙背于两点 C、D，认 为 CD 段受局部荷载的影响，且影响达到最大值 qKa（这 里以主动土压力为例进行说明），式中：q 是局部荷载值 （kN/m2）；Ka 是朗肯主动土压力系数。土压力分布见图 1。该土压力计算方法没有考虑附加应力扩散的影响，会 导致计算结果偏于保守。 注：φ为土的内摩擦角，°；L 为均布荷载至池壁外边缘的距离，m；L1 为均 布荷载宽度，m；m, n 为局部荷载的两端点；由 m, n 两点分别引两条与水平 线成 45°+φ/2 的直线，交池壁外于 C, D 两点；线段 Cc2, Dd2 的长度为 qKa； q 为局部荷载值，kN/m2；Ka 为朗肯主动土压力系数。A 点为池壁外缘与地 面的交点；c1 点为线段 Ab1 与 Cc2 的交点；d1点为线段 Ab1与 Dd2的交点； B 点为池壁外缘的底端点；线段 Bb1的长度为 Kaγz，其中，γ为填土的重度， kN/m3，z 为所计算的点离填土面的深度，m。 图 1 局部荷载作用下土压力分布 Fig.1 Earth pressure distribution under local load 如图 1 所示 当 ( )2/45tan ϕ+°< Lz 时， zKγσ = ； 当 ( ) ( ) ( )2/45tan2/45tan 1 ϕϕ +°+<<+° LLzL 时 ， KqzK += γσ ； 当 ( ) ( )2/45tan1 ϕ+°+> LLz 时， zKγσ = 。 式中，σ 为土压力强度，kPa；K 为土压力系数；L 为局部 荷载近端距池壁外缘的距离，m；L1为局部荷载宽度，m。 由于所研究的三类土的内摩擦角相差不大，所以， 局部荷载对这三类填土的影响深度随 L 段长度的变化基 本相同。因此，在比较三种土压力的大小时，车辆荷载 距池边距离对池壁土压力的影响可不作考虑。 根据上述土压力计算方法，可得超载作用下，Rankine 土压力的计算公式分别为 静止土压力 ϕ γσ sin1 , 0 000 −= += K qKzK （1） 主动土压力 )2/45(tan , 2 ϕ γσ −°= += a aaa K qKzK （2） 被动土压力[14] )2/45(tan , 2 ϕ γσ +°= += p ppp K qKzK （3） 式中，σ0，σa，σp分别为静止、主动、被动土压力强度， kPa；K0，Kp分别为静止、被动土压力系数。 在超载作用下，土压力沿池壁竖向呈上部较小、中 部较大、下部又变小的分布规律[15]。该研究比较地下深 度 2 m 处的土压力大小，且不考虑地下水的影响。地面超 载考虑了堆积荷载和车辆荷载，分别取为 10 和 5 kN/m2。 利用上述方法，3 种土质条件下土压力的计算结果如 表 1 所示。 表 1 3 种土质的土压力（z=2.00 m） Table 1 Earth pressure of three kinds of soil (z=2.00 m) 土的种类 内摩 擦角 /° 土的重度/ (kN·m-3) 地面超载/ (kN·m-2) 静止 土压力 /kPa 主动 土压力 /kPa 被动 土压力 /kPa 杂填土 15 16 15 34.84 27.67 79.82 粉质黄土 20 16 15 30.93 23.04 95.86 粉砂 15 16.5 15 35.58 28.26 81.52 经比较，若按照主动土压力计算，3 种土的土压力比 静止土压力分别小 20.56%、25.49%和 20.56%，而被动土 压力分别比静止土压力大 129.15%、209.98%和 129.15%。 可见，3 种土质条件下主动土压力和静止土压力的大小相 差不大，在 20%～26%，而被动土压力则成倍数增加。 2.2 土压力取值的确定 1）对于圆柱形沼气池，由于其在径向没有变形，故 可直接取静止土压力计算。 2）对于方形等其他形状的沼气池，由于沼气池壁可 能发生侧向的位移（向内或向外偏移），故土压力的取 值方法较难确定。若沼气池的内压很大（如沼气池兼作 储液池），在储满液体时，会导致池壁向外侧移，此时 的土压力须按照被动土压力取值。对于一般的沼气池， 池内沼气的内压一般不会导致沼气池壁有向外的位移， 因此，建议取静止土压力计算，这相对于取用主动土压 力的计算结果偏于安全。 3 池盖受力的数值模拟 3.1 平板池盖 3.1.1 模型的建立 由于对平板池盖受力性能的研究不涉及矢高比的影 响，这里主要研究洞口大小对平板内力分布的影响。根 据不同的开洞尺寸建立了 8 个在中心开圆形洞口的平板 模型，圆形洞口的直径分别为 10、20、30、40、50、60、 70 和 80 cm。 研究采用较规则的单元划分方式。认为沼气池的池 壁仅约束池盖边缘的竖向位移，另外，分别约束与 XOZ、 YOZ 平面相交的池盖边缘两点的径向位移[16-17]。 3.1.2 数值模拟结果 图 2 为不开洞和洞口直径为 40 cm 的平板应力云图。 农业工程学报 2011 年 272 图 2 平板内部应力云图 Fig.2 Stress distribution of slab 如图 2 所示，无论开口与否，平板中部的应力始终 是最大的，在设计时应特别注意中部的配筋设计，使其 挠度满足安全使用的要求。在结构设计中，要重点考虑 应力最大处的设计是否符合规范要求，最大应力的数值 模拟结果如下表 2 所示。 表 2 平板上开口对最大应力的影响 Table 2 Effect of the opening on maximum stress of slab 最大应力/MPa 开口直径/mm 无环梁 带环梁 加设环梁后最大应力 减小百分比/% 0 3.84 3.77 1.82 100 5.03 4.95 1.59 200 5.79 5.69 1.73 300 6.19 6.08 1.78 400 6.36 6.24 1.89 500 6.38 6.26 1.88 600 6.32 6.18 2.22 700 6.19 6.05 2.26 800 6.03 5.88 2.49 由表 2 可知，随着平板上开口直径的增大，板内的 最大应力逐渐增加，但当开口直径增大到一定数值时， 最大应力开始减小，最大应力增大的幅度大于其减小的 幅度，综合考虑工艺要求，宜尽量减小开口直径。带环 梁平板的最大应力值普遍小于无环梁平板，可见，环梁 的约束作用使平板的内力有所减小，但亦可知，其减小 效果并不显著。 3.2 球壳池盖 3.2.1 模型的建立 对于球壳受力性能的研究，分别考虑了开口直径和 矢高比对壳体内力分布规律的影响。选择与平板模型中 相同的约束条件[18-20]。根据不同的开口尺寸建立了 8 个 在中心开圆形洞口的球壳模型，圆形洞口的直径分别为 10、20、30、40、50、60、70 和 80 cm。在研究矢高比 对壳体应力的影响时，分别取矢高比 1/0.10、1/0.15、 1/0.20、1/0.25、1/0.30、1/0.35 和 1/0.40 建立模型。 3.2.2 数值模拟结果 1）开口尺寸对壳体受力性能的影响：图 3 分别为不 开口和开口直径为 40 cm 球壳的应力云图。数值模拟结 果显示，壳体内最大应力随开口直径的增大而增大，加 设环梁与否对球壳的应力分布规律几乎没有影响。 图 3 不同开口直径的球壳内部应力云图 Fig.3 Stress distribution of shell with different opening diameter 第 4 期 宫婉婷等：地下沼气池池壁土压力取值方法及池盖受力分析 273 如图 3 所示，最大应力位于壳体顶部和洞口边缘部 位，在结构设计时应重点考虑此处的设计是否满足承载 力要求。表 3 为数值模拟结果。 表 3 球壳顶部开洞对最大应力的影响 Table 3 Effect of the top opening on maximum stress of shell 最大应力/MPa 开口直径/mm 无环梁 带环梁 加设环梁后最大应力 减小百分比/% 0 1.25 1.26 -0.80 100 1.87 1.48 20.86 200 2.00 1.74 13.00 300 2.21 1.92 13.12 400 2.36 2.05 13.14 500 2.47 2.14 13.36 600 2.55 2.20 13.73 700 2.62 2.25 14.12 800 2.66 2.29 13.91 由表 3 可知，对于中部不开口的球壳来说，环梁对 其最大应力的影响不大。对于中部开圆形洞口的球壳 来说，加设环梁使其最大应力明显减小。球壳的最大应 力随着开口直径的增大而增大，且增大的幅度逐渐减小。 2）矢高比对壳体受力性能的影响：图 4 为矢高比为 1/0.15 和 1/0.30 球壳的应力云图。数值模拟结果显示，加 设环梁与否对球壳应力分布规律几乎没有影响。 如图 4 所示，最大应力位于壳体中下部，呈环状分 布，在结构设计时应重点考虑此处的设计是否满足承载 力要求。表 4 为球壳内部最大应力的数值模拟结果。 表 4 球壳矢高比对壳体内部最大应力的影响 Table 4 Effect of ration of high-span on maximum stress of shell 最大应力/MPa 矢高比 无环梁 带环梁 加设环梁后最大应力 减小百分比/% 1/0.10 1.25 1.26 -0.80 1/0.15 1.10 0.92 16.73 1/0.20 0.83 0.76 8.30 1/0.25 0.62 0.56 9.95 1/0.30 0.50 0.45 10.62 1/0.35 0.37 0.33 12.06 1/0.40 0.27 0.25 7.66 图 4 不同矢高比的球壳内部应力云图 Fig.4 Stress distribution of shell with different ratio of span to height 由表 4、图 4 可知，球壳的最大应力随着矢高比的增 大而减小，并且出现最大应力的位置不再总是在球壳顶 部，而是随着矢高比的增大而逐渐向球壳边缘移动。带 环梁球壳的最大应力始终小于相同矢高比的无环梁球 壳，但两者相差不大。 3.3 圆锥台池盖 3.3.1 模型的建立 对圆锥台受力性能的研究，分别考虑了开口直径和 矢高比对壳体内力分布规律的影响。约束条件与前述平 板、球壳模型相同。根据不同的开洞尺寸建立了 8 个在 中心开圆形洞口的圆锥台模型，圆形洞口的直径分别为 10、20、30、40、50、60、70 和 80 cm。在研究矢高比 对壳体应力的影响时，分别取矢高比 1/0.10、1/0.15、 1/0.20、1/0.25、1/0.30、1/0.35 和 1/0.40 建立模型。 3.3.2 数值模拟结果 1）开口尺寸对壳体受力性能的影响：数值模拟结果 显示，是否加设环梁会对圆锥台内部应力的分布规律产 生较大的影响。应力云图如图 5 所示。 如图 5 所示，是否加设环梁对圆锥台型壳体的应力 分布规律影响较大。无环梁圆锥台的最大应力产生在锥 台平面的中部。在锥台平面上，应力由中心向四周呈递 减分布，但在锥台平面与圆锥面交线附近反而略有增大， 这种应力局部增大的现象随着开口直径的增大逐渐消 失；在圆锥面上，应力由顶部至底部逐渐增大。显然， 中心不开口的带环梁圆锥台的应力分布较复杂，尤其是 锥台平面上的应力分布，其最大应力发生在锥台平面与 圆锥面交线处的圆锥面上。圆锥面上的应力由顶部至底 部逐渐减小。中心开口的带环梁圆锥台的应力分布规律 与无环梁圆锥台相似。表 5 为球圆锥台内部最大应力的 数值模拟结果。 表 5 表明，对于不开口的圆锥台来说，加设环梁会 使其中心应力发生大幅度的增加，对设计极为不利。而 农业工程学报 2011 年 274 图 5 不同开口直径的圆锥台内部应力云图 Fig.5 Stress distribution of truncated cone with different opening diameter 表 5 圆锥台中部开口对壳体内部最大应力的影响 Table 5 Effect of the opening in middle on maximum stress of truncated cone 最大应力/MPa 开口直径/mm 无环梁 带环梁 加设环梁后最大应力 减小百分比/% 0 2.30 14.00 -508.70 100 3.08 1.78 42.21 200 3.51 2.04 41.88 300 3.63 2.14 41.05 400 3.68 2.15 41.58 500 3.58 2.10 41.34 600 3.42 2.01 41.23 700 3.23 1.90 41.18 800 3.02 1.79 40.73 对于在锥台平面开口的圆锥台来说，带环梁圆锥台的最 大应力普遍小于无环梁圆锥台。中部最大应力随开口直 径的增大而先增大后减小，综合考虑工艺要求，宜采用 小直径的洞口。 2）矢高比对壳体受力性能的影响：圆锥台内部应力 云图见图 6。由图 6 可见，对于无环梁圆锥台，锥台平面 上应力的分布规律不随矢高比而变化；当矢高比增大到 某一范围内时，圆锥面上应力由顶部至底部呈先减小再 增大的分布，矢高比增大至超过此范围后，圆锥面上应 力又恢复由顶部至底部逐渐减小的分布规律。带环梁圆 锥台的应力分布规律则不受矢高比的影响。图 7 为圆锥 台内部最大应力的数值模拟结果。 如图 7 所示，不开口的带环梁圆锥台的最大应力普 遍高于无环梁圆锥台的最大应力。对于带环梁圆锥台中 部，锥台平面上的最大应力随矢高比的增大而先略增大 后减小，在矢高比约为 1/0.15 时达到最大值；而圆锥面 上交线附近的最大应力则随矢高比的增大而减小，故应 尽量增大圆锥台矢高比，以减小其内部应力；当矢高比 较小时，整个圆锥台的最大应力发生在圆锥面上近交线 处；当矢高比较大（大于约 1/0.28）时，整个圆锥台的最 大应力发生在锥台平面上，靠近中心处。 对于无环梁圆锥台，整个圆锥台的最大应力始终位 于锥台平面靠近中心处；圆锥面上交线附近的最大应力 随矢高比的增大而先增大后减小，在矢高比约为 1/0.20 时达到最大值；而锥台平面上的最大应力则随矢高比的 增大而减小。 第 4 期 宫婉婷等：地下沼气池池壁土压力取值方法及池盖受力分析 275 图 6 不同矢高比的圆锥台内部应力云图 Fig.6 Stress distribution of truncated cone with different ratio of span to height 图 7 矢高比对圆锥台中部和交线处最大应力的影响 Fig.7 Effect of span to height ratio on maximum stress in the middle and near the intersecting curve of shell 4 结 论 1）对于圆柱形沼气池，土压力可直接取静止土压力 计算；对于方形等其他形状的沼气池，宜偏于安全地取 静止土压力计算。 2）当在壳体池盖中心开圆形洞口时，3 种壳体内部 最大应力均发生在洞口边缘。随着洞口直径的增大，最 大应力先增大后减小，在满足工艺的前提下，应尽量减 小洞口尺寸。 3）在满足工艺要求且能够保证混凝土 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 质量的前 提下，应尽量增大球壳和圆锥台型池盖的矢高比。 4）对于平板池盖和不开洞口的球壳池盖，不建议通 过加设环梁的途径来减小壳体内部应力。顶部开圆形洞口 的球壳池盖和中部开圆形洞口的圆锥台池盖可加设环梁， 以减小壳体池盖内部应力。而不开口的圆锥台池盖不应设 置环梁。 5）对于沼气池池盖型式的进一步研究，可分析洞口 形状及位置等因素对池盖受力性能的影响。 [参 考 文 献] [1] 吉林省农委科教处. 农村家用沼气池设计规范[J]. 吉林农 业，2008，(9)：11. 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(in Chinese with English abstract) Earth pressure on pool wall and stress analysis on pool cover of underground biogas digester Gong Wanting, Ding Min, Xu Qinglei, Jiang Xiugen※ （College of Water Conservancy and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China） Abstract: In order to ensure the security of underground biogas digester structure, the static, active and passive earth pressure of three kinds of soil were compared based on Rankine earth pressure theory, and earth pressure value on pool wall of underground biogas digester was determined. According to linear elastic finite-element analysis, the mechanical behavior of three different pool covers, such as slab, shell and truncated cone, were analyzed. The results showed that the earth pressure on pool wall could be considered as static earth pressure, and ring beam can make the maximum stress of truncated cone pool cover with circular opening decrease by 40%. It is necessary to set ring beam with it. Key words: biogas, equipment, force measurement, pool wall, earth pressure, pool cover