美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下的火電廠地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

姜山

（山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東青島 266100）

1 引言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，部分電力設(shè)計(jì)院開(kāi)始拓展海外市場(chǎng)，陸續(xù)承接海外工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目。與國(guó)內(nèi)項(xiàng)目相比，國(guó)際項(xiàng)目中，業(yè)主常常要求按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，能否熟練應(yīng)用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展工程設(shè)計(jì)對(duì)國(guó)際市場(chǎng)拓展成果具有決定作用。在火電廠地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，包括地下水池、泵房、地下廊道等多項(xiàng)內(nèi)容，且水工構(gòu)筑物具有體量大、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分析難度大等特點(diǎn)，要求設(shè)計(jì)者充分掌握美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流程與方法，使地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加科學(xué)穩(wěn)定。

2 火電廠大型地下水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 荷載

在大型地下水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要荷載包括結(jié)構(gòu)自重、地震、地下水、設(shè)備荷載以及土壓力等。與國(guó)內(nèi)相比，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)在荷載取值、組合系數(shù)選擇方面有所區(qū)別，應(yīng)嚴(yán)格按照ASCE 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures而定，尤其是風(fēng)荷載、地震荷載的選擇，更要開(kāi)展一系列研究后使工藝得到進(jìn)一步優(yōu)化。在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)背景下，荷載組合以容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法、荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法為主，與國(guó)內(nèi)極限狀態(tài)法較為相近。在抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法中，荷載組合以1.4D+1.4F、（1.2D+1.2F）+1.6L+1.6H+0.5Lr、1.2D+1.6Lr+L 為主；在容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法中，以D+F、D+L+F+H、D+Lr+F+H 為主，上述組合中D 代表的是恒荷載；F 代表的是流體荷載；L 代表的是活荷載；H 代表的是地下水、土產(chǎn)生的壓力；Lr 代表的是屋頂活荷載。

2.2 側(cè)向土壓力

在2015International Building Code中對(duì)側(cè)向土壓力進(jìn)行明確規(guī)定，當(dāng)墻體頂端受到約束時(shí)，應(yīng)利用靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算；在墻體頂端自由的情況下，可利用主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)墻體高度低于2.44 m（8 英尺），且頂部帶有彈性隔板支撐情況下，可利用主動(dòng)土壓力計(jì)算。在大型地下水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如若深度低于2.44 m，可利用主動(dòng)土壓力計(jì)算。若構(gòu)筑物采用樁基，在地下結(jié)構(gòu)抗水平力分析過(guò)程中，可計(jì)算出被動(dòng)土壓力，使地震或者風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力被抵消。其抗剪承載力計(jì)算公式為：

式中，Va為允許抗剪承載力；Wf為基礎(chǔ)自重；P為豎向荷載；PP為被動(dòng)土壓力；UD為揚(yáng)壓力；A為基礎(chǔ)底面積；F為安全系數(shù)；為基底摩擦系數(shù)；PA為主動(dòng)土壓力[1]。

2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)背景下，采用國(guó)際通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件STAAD 進(jìn)行大型地下水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意2 方面要點(diǎn)：一是地下池體與框架交接位置的應(yīng)力較為集中，很容易增加計(jì)算誤差，使計(jì)算值偏離真實(shí)值，進(jìn)而影響內(nèi)力分析與配筋計(jì)算。對(duì)此，可在池體交界處、池壁交界處、框架等位置安裝剛性桿，形成剛域，由此緩解應(yīng)力集中對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生的不良影響。二是基礎(chǔ)沉降分析期間，應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)凈荷載進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)分析地下水產(chǎn)生的影響。當(dāng)?shù)叵虏糠譃橄潴w結(jié)構(gòu)時(shí)，地下水對(duì)凈承載力的影響十分微小，不用考慮。但若是獨(dú)立基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)，則要重點(diǎn)分析地下水對(duì)水下土容重產(chǎn)生的影響，并采取措施予以處理[2]。

3 大型岸邊泵房地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建

泵房?jī)?nèi)帶有3 條寬度為6.5 m 的流道，額外設(shè)置檢修區(qū)與配電間，跨距分別為7.5 m 和6.5 m。在了解結(jié)構(gòu)特征后，利用STAAD 三維建模，模型創(chuàng)建流程如下。

第一步：創(chuàng)建輪廓。明確結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)的坐標(biāo)位置，創(chuàng)建桿單元模擬梁柱結(jié)構(gòu)，形成地下結(jié)構(gòu)的桿系外輪廓。

第二步：創(chuàng)建板單位。采用STAAD 軟件中的填充板模塊，將桿單元輪廓與板單元填充完畢后，模擬墻板結(jié)構(gòu)，然后用板單元網(wǎng)絡(luò)分配功能，將輪廓板分為多個(gè)子單元，單元大小結(jié)合實(shí)際情況而定。

第三步：水泵基礎(chǔ)模擬。為使模擬基礎(chǔ)更加接近真實(shí)情況，強(qiáng)化泵的支撐，將原本直接施加均布荷載模擬水泵的基礎(chǔ)作用形式，以創(chuàng)建剛性桿系統(tǒng)的方式對(duì)立式泵進(jìn)行模擬，使電機(jī)與水泵荷載分別加入不同質(zhì)心點(diǎn)處，將剛性桿與泵基礎(chǔ)相連，使水泵的穩(wěn)定性得到切實(shí)保障。

第四步：定義基礎(chǔ)約束。因水泵房利用天然地基，可采用STAAD 軟件下的筏板基礎(chǔ)創(chuàng)建約束，確定梁和板單元的尺寸與厚度，二者可結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定，經(jīng)過(guò)后續(xù)細(xì)致分析后再進(jìn)行微調(diào)，最終創(chuàng)建出STAAD 結(jié)構(gòu)模型。

3.2 基本工況

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容在于基本工況和荷載組合，這也是中美標(biāo)準(zhǔn)的主要區(qū)別所在，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生較大影響?？梢?jiàn)，創(chuàng)建正確的基本工況并準(zhǔn)確組合出最差工況，可使設(shè)計(jì)安全穩(wěn)定得到切實(shí)保障。某工程業(yè)主要求地震荷載遵循Building Code of Pakistan Seismic Provision-2007 進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，該規(guī)定與1997Uniform Building Code相同，因此，本工程的地震荷載遵循1997Uniform Building Code進(jìn)行計(jì)算，剩余荷載與組合均按照2015International Building Code進(jìn)行計(jì)算?；竟r如表1 所示[3]。

表1 泵房地下結(jié)構(gòu)基本工況

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 地基承載力檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)STAAD 處理后，可計(jì)算出不同工況下基底反力，明確基底反力最大值進(jìn)行地基承載力檢驗(yàn)。在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，通常用沉降控制作為標(biāo)準(zhǔn)，利用計(jì)算結(jié)果內(nèi)的地基反力，去掉相應(yīng)工況下土的重度。某工程沉降控制值為50 mm，將該基礎(chǔ)面積地基凈承載力極限值與計(jì)算值對(duì)比，便可完成檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。根據(jù)結(jié)果可知，地基反力最大值為300 kPa，最小值為80 kPa，位置分別在泵房平面圖的左上角與右下角。此外，在地基反力最小工況下開(kāi)展抗傾驗(yàn)算。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中尚未規(guī)定筏板中無(wú)壓力的區(qū)間，該項(xiàng)目要求按照低于20%進(jìn)行控制。地基反力最大值在210 kPa 左右，最小值為-19 kPa，位置分別在泵房平面圖右上角與左下角。

3.3.2 強(qiáng)度配筋計(jì)算

在強(qiáng)度設(shè)計(jì)方面，STAAD 可直接得出梁?jiǎn)卧膬?nèi)力，通過(guò)內(nèi)力提取的方式獲得梁柱強(qiáng)度，也可參照ACI 318—2014Building Code Requirements for Structural Concrete標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)梁柱自行確定。因STAAD 可展示出不同單元板內(nèi)力，但整體配筋計(jì)算難度較大，在實(shí)際工作中可將最大板單元內(nèi)力提取出來(lái)進(jìn)行配筋計(jì)算，還可采用STAAD 自帶混凝土板單元進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。在配筋設(shè)計(jì)時(shí)，先對(duì)各區(qū)域板單元單獨(dú)定義，預(yù)防應(yīng)力集中。根據(jù)板配筋結(jié)果可知，板方向?yàn)檎?，單一流道底板配筋?jì)算結(jié)果為：板頂X方向彎矩為684.891 kN·m，鋼筋直徑為25 mm，間距為150 mm；板頂Y方向彎矩為984.62 kN·m，鋼筋直徑為25 mm，間距為150 mm。上述2 項(xiàng)指標(biāo)具備最小配筋率。板底X方向彎矩為2115.24 kN·m，鋼筋直徑29 mm，間距為150 mm；板底Y方向彎矩2036.57 kN·m，鋼筋直徑為29 mm，間距為150 mm。上述2 項(xiàng)指標(biāo)不具備最小配筋率[4]。

4 火電廠煤倉(cāng)地下廊道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 中心柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

該部分所受荷載包括設(shè)備自重、基礎(chǔ)自重與廠家提供活荷載。基礎(chǔ)部分由頂板、底板、支墩、懸挑底板覆土重量、混凝土墊層自重構(gòu)成；設(shè)備荷載由機(jī)尾部重量、煤斗、棧橋皮帶支架產(chǎn)生的荷載、檢修平臺(tái)重量構(gòu)成。不同工況下運(yùn)行荷載有所區(qū)別，重點(diǎn)分析正常運(yùn)行與地震作用下的2 種工況，根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2 種工況下各樁的單樁反力分別計(jì)算。在整體計(jì)算基礎(chǔ)上，還應(yīng)對(duì)各個(gè)支墩在最大荷載影響下的單樁反力單獨(dú)計(jì)算。某工程采用的是φ1 000 mm 沖孔灌注樁，各支墩下方設(shè)置2 根樁，剩余底板下方均勻設(shè)置6 根樁，每個(gè)樁的豎向與水平反力均符合承載力要求。在單樁水平力計(jì)算期間，應(yīng)考慮到構(gòu)成要素，計(jì)算方式是扭矩產(chǎn)生的水平力與直接承受水平力相加。因底板厚度與剛度較大，可看成水平力是由全部裝平分，因此，水平力總和/總樁數(shù)便是單個(gè)樁的水平力?；A(chǔ)底板采用PKPM 系列GCCAD 軟件樁筏、筏板有限元軟件計(jì)算，得出底板配筋與樁頂反力。在此基礎(chǔ)上驗(yàn)算底板抗沖切，確保底板厚度滿足美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。在基礎(chǔ)壁板設(shè)計(jì)中，以圓筒空間結(jié)構(gòu)分配和牛腿支墩相關(guān)計(jì)算為主，還要對(duì)抗剪承載力、預(yù)埋錨栓抗拉力等進(jìn)行計(jì)算。因中心柱所受荷載作用于3 個(gè)牛腿支墩上，因此，該部分設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大，每個(gè)支墩都有地腳螺栓套管穿過(guò)，需要在開(kāi)孔周圍設(shè)置加強(qiáng)筋，起到加固鎖定的作用。

4.2 緊急卸煤斗結(jié)構(gòu)

緊急卸煤斗為地下封閉箱體，位于場(chǎng)內(nèi)堆煤最高位置的下方，其主要荷載為堆煤質(zhì)量。在堆煤高度計(jì)算時(shí)，通常選擇高度最大值的1/3，也可通過(guò)專業(yè)測(cè)定得出。例如，某工程堆煤高度最大值為33.48 m，可取值為11 m 進(jìn)行計(jì)算。恒載荷由底板、壁板、頂板質(zhì)量、基礎(chǔ)跳板覆土質(zhì)量構(gòu)成；活荷載由煤斗質(zhì)量、煤自重、設(shè)備荷載構(gòu)成。基礎(chǔ)底板計(jì)算與中心柱計(jì)算方式相同，利用采用PKPM 系列GCCAD 軟件樁筏、筏板有限元軟件得出樁頂反力、底板配筋等，并對(duì)底板抗沖切進(jìn)行檢驗(yàn)，使底板厚度得以明確。對(duì)于周圍壁板可采用結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行計(jì)算，還可適當(dāng)精簡(jiǎn)計(jì)算流程，將各邊壁板根據(jù)三邊固定、上邊簡(jiǎn)支得出配筋，主要荷載源于側(cè)面土壓力、頂面活荷載形成的附加側(cè)壓力、側(cè)面水壓力等。其中，附加側(cè)壓力為活荷載與土的抗力系數(shù)相乘，土壓力采用梯形分布，可利用庫(kù)侖定律得出。如若帶有水壓力，土壓力重度便是浮重度，計(jì)算方式為土飽和重度與水重度之差。部分工程頂板所受荷載較大，為滿足美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)設(shè)置大梁，并在梁的底部和側(cè)面預(yù)埋鋼板。在繪制配筋圖時(shí)，需要在頂板洞口側(cè)設(shè)梁，在隧道接口和側(cè)壁位置安裝加強(qiáng)筋，形成暗梁和暗柱，由此提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4.3 地下隧道設(shè)計(jì)

地下隧道設(shè)計(jì)通常取1 m 段進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用矩形閉合箱體，對(duì)閉合鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況參考地下隧道設(shè)計(jì)指南。荷載包括垂直四面荷載，頂面所受荷載為板面覆土質(zhì)量，活荷載為堆煤質(zhì)量，計(jì)算方式仍是堆煤高度最大值的1/3。側(cè)壁所受荷載為頂板活荷載形成的側(cè)壓力以及水、土壓力。其中土壓力還可分為地上、地下水位2 個(gè)方面。地下水位之上的土壓力利用天然重度計(jì)算，之下的壓力可利用浮重度計(jì)算。水壓力的計(jì)算方式為水重度與側(cè)壁板高度的乘積。底板反力計(jì)算方式為頂板壓力與隧道頂板、自重反力、活荷載反力之和。通過(guò)上述指標(biāo)的準(zhǔn)確計(jì)算，使地下隧道設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理、穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在火電廠地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)有所不同，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)掌握大型地下水池、岸邊泵房、煤倉(cāng)地下廊道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程與方法，并利用STAAD 軟件創(chuàng)建三維模型，在明確基本工況與荷載組合的情況下進(jìn)行計(jì)算，突破國(guó)標(biāo)設(shè)計(jì)思維的限制，嚴(yán)格按照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系開(kāi)展作業(yè)，使業(yè)主要求得到充分滿足，為我國(guó)電力設(shè)計(jì)進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)積累更多寶貴經(jīng)驗(yàn)。