大型高位水塔结构的cae设计

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1、大型高位水塔结构的CAE设计高翔1刘利1杨文琦1（1.中冶赛迪工程技术股份有限公司重庆400013）摘要：介绍了一种用于中厚钢板热处理的超大容量的高位水塔的结构形式，通过有限元程序整体分析了它的动力特性和水平地震动下和风荷载下的结构反应，探讨了该结构形式的振动特点及其受力薄弱环节，给出了工程设计中的一些技术措施，有利于同类结构设计参考。关键词：超大容量高位水塔有限元振动分析水箱设计CAEFINITEANALYSISDESIGNOFHIGHWATERTANKSTRUCTUREWITHHUGECAPABILITYGaoXiangLiuLiYangWen

2、-QiAbstract:Atypeofhighwatertowerstructurewithhugecapabilityisintroducedinthispaper.Itsdynamicbehaviorsandseismicresponseunderearthquakeandwindforceactionareanalysedwithfinitemethod,andthevibrationcharacteristicsandweakpartsofthestructurearediscussed.Atlast,sometechnicalmeasur

3、einstructuredesignaregiven,andconclusioncanbeusedforreferencewhendesigningsimilarstructure.Keywords:highwatertowerwithhugecapabilityvibrationfiniteanalysiswatertankdesignCAE1.工程概况某工程建造一座用于中厚钢板热处理的高位水塔，此水塔建筑高度为52m，水箱容积1780m3，支架及水箱均采用全钢结构。本工程质量主要集中于顶点，通常此类水塔设计都简化为单质点的悬臂柱结构进行计算分析

4、，但是由于本工程水塔容积特别大，高度在同类水塔中也属于罕见，为了控制顶点位移，需要悬臂柱提供很大的侧向刚度，采用单柱设计会造成柱截面大，经济上浪费且不美观。为此本文支架采用八根钢管柱，轴对称布置，并在两两之间辅以支撑，形成空间支架体系，从而解决悬臂柱断面过大，浪费且不美观等问题，该水塔立面及平面见图1。由于支架为整体空间结构形式，无法采用传统的平面简化计算，为此本文对水塔支架及水箱壳体进行了三维整体有限元分析，全面地分析其动力特性和在水平地震荷载及风荷载下的结构反应，并提出一些新型的结构设计措施，取得了良好的经济效果和建筑外观效果，在此做一简单介绍

5、。图1水塔立面及平面图图2有限元计算模型三维视图2.计算模型计算模型主要为两部分,详见图2。水塔下部支架为第一部分，水箱壳体为第二部分。本文采用sap2000有限元程序进行地震反应谱分析，考虑水塔满载和空载的两种情况分别进行计算，结构本身轴对称布置，刚度质量均匀，仅在水平向施加地震力，不考虑竖向地震作用。3.有限元分析结果根据上述模型进行了结构整体空间分析计算，计算的基本条件为：场地类别为Ⅳ类，抗震设防类别为6度，设计基本地震加速度为0.05g，基本风压0.4kN/m2,基本雪压0.4kN/m2。检修操作平台荷载5kN/m2，水塔顶板检修荷载3.5

6、kN/m2。振型数取9个，分水塔满载和空载两种情况分别计算，结构部分计算结果见表1。表1高位水塔结构部分内力计算结果结构参数顶点绝对位移（mm）顶点相对位移自振周期（s）T1T2T3T4T5T6水塔满载41.31/12592.0242.0241.1670.2420.2420.236水塔空载41.31/12590.9430.9430.5780.1840.1840.1803.1振型分析满载和空载的前六阶振型形式基本相同，但是由于空载和满载时，质量差别很大，造成周期差别也很大。满载形式的前六阶振型的二维和三维形式具体见图3。从图中可以看出，因为结构基本是

7、轴对称形式，第一周期和第二周期振型为X向和Y向的水平振动，第三周期为整个水塔支架的扭转振动，第四周期和第五周期为整个水塔支架的X向和Y向的弯曲振动，第六周期为水塔支架的竖向的上下振动。从周期上可以看出，第一阶、第二阶水平振动，及第三阶扭转振动周期较后面几阶振型大得多，所以实际设计中可以忽略后面几阶弯曲振动、上下振动的影响，仅考虑水平振动和扭转振动的影响。第一周期振型第二周期振型第三周期振型第四周期振型第五周期振型第六周期振型图3水塔支架前六阶振型3.2变形及应力分析该高位水塔尽管高度和满载时质量均很大，但由于处于6度设防地震区，经过有限元反应谱分析

8、和风荷载下的作用工况比较可知，水平位移及弯曲变形引起的应力仍然由风荷载起控制作用。最大顶点水平位移为41.3mm，顶点相对