地下沼气池池壁土压力取值方法及池盖受力分析.pdf

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1、第27卷第4期2702011年4月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．27No．4Apr．2011地下沼气池池壁土压力取值方法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Rankirle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

2、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：$216．4文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)一04一0270一07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．GongWanting，DingMin，XuQingl

3、ei，eta1．Earthpmssureonpoolwallandstressanalysisonpoolcoverofundergroundbiogasdigester[J】．TransactionsoftheCSAE，2011，27(4)：270--276．(inChinesewithEnglishabstract)0引言计提供参考。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

4、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)，设计人员尚未达成共识。农村家用沼气池设计规范【l】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f3-5】。多项研究表明，利用AN

5、SYS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{】。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(2008BADC4803)：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)；中国农业大学切冲项目。作者简介：宫婉婷(1987一)，女，天津人，主要从事结构工程方面的研究。北京

6、中国农业大学水利与土木工程学院，100083。Email：gongwantin90902@126．corn※通信作者：蒋秀根(1966一)，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．cn1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

7、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

8、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3m，厚度为150mm；环梁梁高为150mill，宽为60mI／1。池盖上覆土通常为杂填土，土的重度取16k／q／ms，取覆土厚度1111，地面超载取15