王 樹(shù) 平， 董 官 炯

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

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基于歐洲規(guī)范的風(fēng)荷載及爆炸荷載計(jì)算方法在蘇布雷水電站主變防爆墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王 樹(shù) 平， 董 官 炯

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

介紹了歐洲規(guī)范中關(guān)于風(fēng)荷載和爆炸荷載的計(jì)算方法, 對(duì)計(jì)算中需要用到的參數(shù)分別進(jìn)行了說(shuō)明，結(jié)合蘇布雷水電站主變防爆墻設(shè)計(jì)，對(duì)風(fēng)荷載和爆炸荷載的計(jì)算應(yīng)用進(jìn)行了分析。

主變防爆墻；風(fēng)荷載；爆炸荷載；地面粗糙度；內(nèi)部爆炸；蘇布雷水電站；設(shè)計(jì)

1 概 述

蘇布雷水電站位于科特迪瓦西南部薩桑德拉河中下游河段納瓦(Nawa)瀑布附近。電站廠房型式為地面廠房，廠內(nèi)安裝3臺(tái)混流式機(jī)組，單機(jī)容量90 MW，總裝機(jī)容量270 MW。主變壓器安裝在室外廠房尾水平臺(tái)上，每臺(tái)主變的左、右兩側(cè)分別設(shè)置鋼筋混凝土防爆墻，防爆墻高7.3 m，厚度為30 cm。防爆墻聯(lián)合主機(jī)間下游邊墻形成半包圍結(jié)構(gòu)，用于防護(hù)主變壓器可能產(chǎn)生的爆炸荷載。每臺(tái)主變防爆墻布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 主變防爆墻布置圖

根據(jù)合同要求，蘇布雷水電站技施設(shè)計(jì)采用歐美標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)人員結(jié)合實(shí)際情況，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)。主變防爆墻主要承受的外荷載是風(fēng)荷載及可能的變壓器爆炸荷載。歐洲規(guī)范對(duì)于風(fēng)荷載的計(jì)算方法不同，計(jì)算結(jié)果亦相差較大。目前國(guó)內(nèi)規(guī)范中關(guān)于變壓器爆炸壓力并沒(méi)有專門的計(jì)算公式，因此很難對(duì)爆炸荷載定性定量地加以分析。而歐洲荷載規(guī)范中對(duì)風(fēng)荷載及爆炸荷載的計(jì)算均有相關(guān)要求。筆者結(jié)合蘇布雷水電站主變防爆墻設(shè)計(jì)采用歐洲規(guī)范對(duì)風(fēng)荷載和爆炸荷載的計(jì)算及應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。

2 歐洲規(guī)范中風(fēng)荷載的計(jì)算方法

歐洲規(guī)范《結(jié)構(gòu)上的作用——第1～4部分：風(fēng)荷載》(EN1991-1-4：2005)[1]規(guī)定了風(fēng)荷載的計(jì)算方法，適用于計(jì)算高度200 m以內(nèi)的建筑和結(jié)構(gòu)工程，但不包括風(fēng)的局部熱效應(yīng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、橫向湍流風(fēng)的振動(dòng)和多于一種振型的振動(dòng)，對(duì)于格構(gòu)塔和中間有孔洞的高層建筑等也未作規(guī)定。

在該規(guī)范中，確定風(fēng)荷載作用的大小有兩種方法：一是使用形狀系數(shù)的力系數(shù)法；二是通過(guò)外表面壓(吸)力、內(nèi)表面壓(吸)力和風(fēng)摩擦力三部分求和的求和法。對(duì)于一般建筑物而言，通常采用求和法。

力系數(shù)法中計(jì)算風(fēng)壓力FW的 公式為：

FW=cscdcfqp(z)Aref

式中cs、cd為結(jié)構(gòu)系數(shù)；cf為力系數(shù)；Aref為計(jì)算面積；z為計(jì)算高度(結(jié)構(gòu)地表面以上的最大高度)；qp(z)為計(jì)算高度z處的動(dòng)壓力峰值。

求和法為外部壓力Fw, e、內(nèi)部壓力Fw, i和由風(fēng)引起的摩擦力Ffr矢量求和確定。對(duì)于求和法，當(dāng)平行于風(fēng)向的結(jié)構(gòu)表面面積大于或等于垂直于風(fēng)向的結(jié)構(gòu)表面面積的4倍及以上時(shí)方考慮風(fēng)摩擦力的影響；在外圍護(hù)構(gòu)件多孔的情況下才考慮內(nèi)表面風(fēng)壓。求和法的計(jì)算公式為：

Ffr=cfrqp(z)Afr

其中，基本風(fēng)壓力的計(jì)算公式如下：

we=qp(z)cpe

wi=qp(z)cpi

qp(z)=qb[cr(z)]2[c0(z)]2ce(z)

式中 we為外部風(fēng)壓； wi為內(nèi)部風(fēng)壓；qb為基本風(fēng)壓；cr(z)為底面粗糙度系數(shù)；c0(z)為地形系數(shù)；ce(z)為暴露系數(shù)；z為計(jì)算高度；cpe、cpi分別為外壓力系數(shù)、內(nèi)壓力系數(shù)；vb為基本風(fēng)速；ρ為空氣密度，取1.25kg/m3；z0為粗糙高度。

對(duì)于地面粗糙度，歐洲規(guī)范規(guī)定建筑物所在地平均風(fēng)速的地面粗糙度系數(shù)cr(z)控制因素為離地面高度以及在順風(fēng)方向上建筑物前方的地面粗糙度。確定高度z處地面粗糙度系數(shù)cr(z)的方法在歐洲規(guī)范中建議的計(jì)算公式如下：

式中 kr為場(chǎng)地系數(shù)；zmin為最小高度；zmax為最大高度；z0,Ⅱ?yàn)棰蝾悎?chǎng)地的粗糙高度。

地面粗糙度用粗糙高度z0描述，表示地面上平均風(fēng)速為0的高度，EN1991-1-4將場(chǎng)地情況分為5類(表1)，表1也給出了不同場(chǎng)地類別的z0和zmin。

表1 場(chǎng)地類別表

上述兩種方法的計(jì)算公式在形式上有相似之處，同樣都是用結(jié)構(gòu)系數(shù)來(lái)反映結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的動(dòng)力特性，適用于不同的建筑結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)系數(shù)cs、cd是兩個(gè)重要的參數(shù)，反映了建筑物上風(fēng)壓峰值出現(xiàn)的時(shí)間(cs)與紊流引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)(cd)的不同步，通過(guò)規(guī)范附錄中的方法可以確定。

3 歐洲規(guī)范中爆炸荷載的計(jì)算方法

歐洲規(guī)范中對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)最為常見(jiàn)的偶然作用有車輛撞擊和內(nèi)部爆炸，歐洲規(guī)范《結(jié)構(gòu)上的作用——第1-7部分：一般作用——偶然作用》(EN1991-1-7：2006)[2]給出了這些作用的計(jì)算方法。

內(nèi)部爆炸定義為空氣中粉塵、氣體或蒸汽的快速化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)導(dǎo)致了高溫與超高壓，爆炸壓力以壓力波形式向外傳播，遇到障礙時(shí)則產(chǎn)生作用力。內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的壓力主要取決于粉塵、氣體或蒸汽的類型，空氣中粉塵、氣體或蒸汽的百分比，粉塵、氣體或蒸汽、空氣混合物的均勻性，火源、封閉區(qū)內(nèi)是否有障礙物，發(fā)生爆炸封閉區(qū)的大小、形狀和強(qiáng)度以及所具有的排氣量或壓力釋放量。歐洲規(guī)范EN1991-1-7分別提供了室內(nèi)粉塵和天然氣爆炸壓力的計(jì)算方法。

對(duì)于使用天然氣的建筑物，爆炸產(chǎn)生的名義等效靜壓力取下面兩式中的較大值：

式中 pd為爆炸壓力；pstat為使通風(fēng)部分破壞的均勻分布靜壓力；Av為通風(fēng)部分的面積；V為圍合體的體積。

4 蘇布雷水電站主變防爆墻計(jì)算

蘇布雷水電站主變防爆墻設(shè)計(jì)采用歐洲規(guī)范，結(jié)構(gòu)所受的外荷載主要有風(fēng)荷載、主變爆炸荷載以及地震荷載。該電站地震烈度為6°，水平地震加速度為0.04 g，地震荷載非常小，筆者不作詳細(xì)描述，僅對(duì)風(fēng)荷載和爆炸荷載根據(jù)歐洲規(guī)范的計(jì)算方法進(jìn)行分析。

4.1 荷載及內(nèi)力計(jì)算

(1)風(fēng)荷載。

該電站基本風(fēng)速為25 m/s，屬于Ⅱ類場(chǎng)地。取zo=0.05 m，zmin=2 m。計(jì)算高度取主變防爆墻高度z=7.3 m，基本風(fēng)速取vb=25 m/s，風(fēng)壓力計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 蘇布雷水電站主變防爆墻風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果

注：表中kI為湍流系數(shù)。

風(fēng)荷載作用面積A>10 m2，故取外壓力系數(shù)cpe=cpe,10=0.8，內(nèi)壓力系數(shù)cpi=0.3，則防爆墻承受風(fēng)壓力特征值為w=0.55×0.8+0.55×0.3=0.61(kN/m2)。

(2)爆炸荷載。

對(duì)于主變壓器可能發(fā)生的爆炸荷載對(duì)防爆墻產(chǎn)生的壓力，選取歐洲規(guī)范中比較類似的天然氣爆炸計(jì)算方法。

根據(jù)主變防爆墻布置，矩形圍合體的體積V=14.53×9.6×7.3= 1 018.26(m3)。由于圍合體頂部和下游側(cè)沒(méi)有墻體遮擋，故pstat=0，通風(fēng)部分的面積為AV=14.53×7.3+14.53×9.6=245.56(m2)，則爆炸壓力pd=3+0+0.04÷(245.56÷ 1 018.26)2=3.69(kN/m2)。

4.2 計(jì)算結(jié)果

在最不利工況下(風(fēng)壓力+爆炸壓力)，主變防爆墻結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

5 結(jié) 語(yǔ)

戶外主變防爆墻受力情況復(fù)雜，特別是爆炸荷載難以定性定量分析。而采用歐洲規(guī)范對(duì)風(fēng)荷載和爆炸荷載的計(jì)算方法，選取歐洲規(guī)范中比較類似的天然氣爆炸模擬分析主變爆炸情況形成的主變防爆墻計(jì)算書(shū)及設(shè)計(jì)產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)，說(shuō)明采用歐洲規(guī)范對(duì)風(fēng)荷載和爆炸荷載的計(jì)算方法設(shè)計(jì)主變防爆墻是合適的。

表3 主變防爆墻結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表

[1] EN 1991-1-4：2005，Eurocode 1: Actions on structures —Part 1-4: General actions — Wind actions.

[2] EN 1991-1-7：2006，Eurocode 1: Actions on structures —Part 1-7: General actions — Accidental actions.

[3] EN 1992-1-1：2004，Eurocode 2: Design of concrete structures —Part 1-1: General rules and rules for buildings.

[4] 薛穎亮，李云貴.中歐風(fēng)荷載規(guī)范的對(duì)比研究[J].土木建筑工程信息技術(shù),2010, 2(1)：78-81.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-01-08

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1001-2184(2016)05-0097-03

王樹(shù)平(1977-)，男，四川成都人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作；

董官炯(1988-)，男，四川巴中人，工程師，碩士，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作.