基于有限元分析的水池结构抗震性能优化设计研究

引言

水池结构作为城市生命线工程的关键组成部分，承担着供水、排水及污水处理等核心功能。在地震作用下，水池结构因内部水体晃动产生的动水压力与结构惯性力耦合作用，易引发池壁开裂、底板脱空甚至整体倾覆等破坏模式。传统抗震设计多依赖规范简化公式，难以准确反映复杂水池结构的动力响应特征。有限元分析技术通过建立三维数值模型，可精准模拟结构-水体-土体三相耦合作用，为抗震性能优化提供科学依据。

1、水池结构抗震设计理论与方法

1.1 抗震设计规范体系

现行规范体系存在差异化设计要求：GB50032-2003 规定水池结构需按三水准设防（小震不坏、中震可修、大震不倒），但未明确流固耦合效应的计算方法；日本《水道设施抗震工法指南》则提出反应加速度法，通过输入地震波参数分析结构动力响应。某 10 万立方米圆形水池设计案例显示，采用反应谱法计算时，池壁与底板连接处应力集中系数达 2.3，需增设环向加劲肋以控制裂缝宽度。

1.2 流固耦合作用机制

水池结构在地震工况下呈现典型流固耦合特征：水体晃动产生的动水压力与结构变形相互影响，形成复杂的动力系统。某矩形水池振动台试验表明，当输入 EL-Centro 波（峰值加速度 0.35g ）时，池壁顶部动水压力可达静水压力的 1.8 倍，导致池壁水平位移增加 32‰ 。数值模拟显示，采用附加质量法简化计算时，结构自振频率偏差达15% ，需采用完全耦合模型提高计算精度。

1.3 有限元分析技术路径

有限元建模需遵循以下技术路线：

几何建模：采用实体单元划分池壁、底板及顶板，水体域采用声学单元模拟，土 体域采用摩尔-库伦本构模型。

材料参数：混凝土弹性模量取 3.45×10⁴MPa ，泊松比 0.2；水体密度 1000kg/m³ ，声速 1482m/s

边界条件：池底采用固定约束，池壁与水体界面设置流固耦合交界面，土体域底部设置粘弹性人工边界。

地震波输入：选取 Taft 波、Kobe 波作为输入激励，时间步长取 0.01s，总时长 20s。

2、水池结构抗震性能数值模拟

2.1 模型验证与参数分析

以某矩形水池为原型建立 1:1 数值模型，对比振动台试验与有限元计算结果：

模态分析：试验测得结构一阶自振周期 1.25s，有限元计算值 1.22s ，误差 2.4%

动力响应：在 Kobe 波作用下，池壁顶部水平位移试验值 8.2mm ，有限元值 7.9m m，吻合度 96.3% ；

应力分布：池壁与底板连接处最大拉应力试验值 2.1MPa ，有限元值 2.0MPa ，验证模型可靠性。

2.2 抗震薄弱部位识别

通过参数化分析揭示结构抗震薄弱环节

池壁转角区：因几何突变导致应力集中，在 8 度设防下最大拉应力达 3.5MPa ，超过 C30 混凝土抗拉强度标准值 2.01MPa ；

伸缩缝部位：传统橡胶止水带在地震作用下易发生撕裂，位移吸收能力仅 15mm ，需改用高分子自粘卷材；

顶板连接处：预制装配式顶板与池壁连接节点易出现锚固失效，建议采用预埋钢板焊接+高强螺栓复合连接。

3、水池结构抗震优化设计策略

3.1 结构体系优化

平面布局：圆形水池较矩形水池可降低地震作用效应 23% ，某 8 万立方米圆形水池设计采用双层环向加劲肋体系，使池壁应力均匀化系数提升至 0.85；

竖向布置：地下式水池因土体约束作用，地震响应较地上式降低 18% ，但需注意抗浮稳定性验算；

隔震技术：在池底设置铅芯橡胶隔震支座，可使结构自振周期延长至 2.5s，有效避开地震卓越周期（0.3-0.5s），顶部位移减小 42% 。

3.2 构造措施强化

池壁加固：在池壁内侧增设 Φ12@200 双层双向钢筋网，配筋率提升至 0.35% ，可

使抗裂性能提高 40% ；

节点增强：顶板与池壁连接节点采用钢纤维混凝土浇筑，抗剪承载力提升 25% ；耗能装置：在伸缩缝处设置金属阻尼器，耗能效率达 65% ，有效控制结构位移响应。

3.3 在提升水池结构抗震性能的征程中，材料性能的优化升级扮演着举足轻重的角色，为结构在地震中的稳定与安全筑牢根基。

高强混凝土的应用是提升结构抗震能力的关键一步。传统设计中广泛采用的 C30混凝土，其强度和弹性模量在应对复杂地震作用时略显不足。而 C40 混凝土凭借更高的强度等级，展现出卓越的性能优势。其弹性模量相较于 C30 提高了 14% ，这一提升意味着在相同地震力作用下，结构产生的变形更小。经实际工程验证，采用 C40 混凝土替代 C30 后，结构变形可降低 12% ，有效减少了因过大变形导致的结构损伤风险，增强了结构的整体稳定性。

纤维增强技术为混凝土抗裂性能带来质的飞跃。在混凝土中掺入 0.9kg/m³ 的聚丙烯纤维，如同为混凝土内部编织了一张细密的“防护网”。这些纤维均匀分布在混凝土基体中，当裂缝即将产生或扩展时，纤维能够跨越裂缝，承受部分拉应力，有效阻止裂缝的进一步发展。通过这一技术，混凝土的抗裂等级由三级大幅提升至一级，显著提高了结构的耐久性和抗渗性，降低了地震作用下因裂缝引发的渗漏、钢筋锈蚀等次生灾害的可能性。

智能材料的研发更是为抗震设计开辟了新的方向。磁流变阻尼器作为一种新型智能材料装置，具有独特的性能优势。它能够根据地震波的实时特性，如频率、振幅等，迅速且精准地调节自身的阻尼系数。在地震发生时，磁流变阻尼器可以动态调整对结构的约束作用，有效吸收和耗散地震能量，使结构的加速度响应降低 45‰ 。这一特性使得结构在地震中的振动更加平缓，大大减轻了地震对结构的破坏程度，为水池结构在极端地震条件下的安全运行提供了可靠保障。

4、工程应用案例分析

4.1 项目概况

某污水处理厂调节池尺寸为 60m×30m×8m ，原设计采用 C30 混凝土现浇结构，抗震设防烈度 8 度。数值模拟显示，在 EL-Centro 波作用下，池壁顶部水平位移达 12.3mm ，超过规范限值 10mm_⨀ 。

4.2 优化方案实施

隔震体系改造：在池底设置 16 个铅芯橡胶隔震支座（直径 800mm ，屈服后刚度比 0.05）；

结构加固：在池壁内侧增设环向加劲肋（尺寸 400mm×20mm ），间距 1.5m ；

节点强化：伸缩缝改用钢波纹板连接，允许位移量提升至 50mm_⨀ 。

4.3 实施效果验证

改造后结构自振周期延长至 2.1s，在相同地震激励下：

顶部水平位移降至 7.1mm ，降幅 42% ；

池壁最大拉应力由 3.2MPa 降至 1.9MPa ，满足抗震要求；

隔震支座最大位移 18mm ，未超出设计允许值 30mm_⨀ 。

结语

本文通过有限元分析揭示水池结构抗震薄弱环节，提出隔震技术、构造强化及材料升级的组合优化方案。工程应用表明，该方案可显著提升结构抗震性能，降低全生命周期维护成本。未来研究需聚焦以下方向：

多场耦合分析：考虑地震-渗流-温度多场耦合作用，完善复杂工况下结构响应预测模型；

智能监测系统：集成光纤光栅传感器与机器学习算法，实现结构健康状态的实时评估与预警；

3D 打印技术：研发高耗能异形抗震构件的 3D 打印工艺，提升节点连接可靠性。

参考文献

[1]水厂圆形水池混凝土施工技术探讨.贺苗;潘振海;李正超.城市建设理论研究(电子版),2025(19)

[2]狭长水池抗浮问题浅析.刘锋.居业,2025(07)

[3]某大型供水项目超高圆形水池结构优化及应用.吕中维;张永超;李克农.水利水电工程设计,2025(02)

[4]狭长水池局部抗浮处理方式探讨.张元琦;杜雷.石油化工设计,2023(04)