地下轉(zhuǎn)運(yùn)站局部抗浮設(shè)計(jì)的有限元變形分析

石漢偉

0 引言

地下轉(zhuǎn)運(yùn)站是火力發(fā)電廠的一個(gè)重要構(gòu)筑物。印度某工程地下水埋藏較淺，廠區(qū)常年最高水位可達(dá)地表，抗浮是地下轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)計(jì)的主要因素之一。工程中常用的抗浮方式有:自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮及錨固抗浮。由于受當(dāng)?shù)厥┕l件的影響嵌固抗浮和錨固抗浮沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn);由于地下轉(zhuǎn)運(yùn)站頂部(地面上)要走火車，轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)部為工藝運(yùn)行所要求的空間，因此可以通過(guò)外伸底板，在外伸底板上增加配重土體來(lái)滿足轉(zhuǎn)運(yùn)站整體抗浮的要求，但轉(zhuǎn)運(yùn)站底板上支柱的局部抗浮只能通過(guò)增加自重來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算要滿足局部抗浮，需要的底板厚度為7 m，這對(duì)工程的投資及地基巖石的爆破量投資是巨大的。

經(jīng)過(guò)分析考慮用厚底板的微變形來(lái)抵抗局部浮力作用，在外伸底板上增加配重土體來(lái)滿足轉(zhuǎn)運(yùn)站整體抗浮的要求。由于局部浮力的作用，底板上支柱會(huì)上抬，此時(shí)與支柱相連的框架梁都會(huì)產(chǎn)生變形，如果變形過(guò)大會(huì)導(dǎo)致梁柱的內(nèi)力重新分配，會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的后果。

由于單獨(dú)計(jì)算底板在浮力和自重作用下的變形，此變形較大，沒(méi)辦法考慮側(cè)壁剛度和底板上支柱對(duì)底板變形的貢獻(xiàn)，也無(wú)法計(jì)算底板上支柱在底板最大變形時(shí)的偏轉(zhuǎn)角度。本文結(jié)合印度某工程實(shí)例，采用通用有限元軟件STAADPRO對(duì)地下轉(zhuǎn)運(yùn)站在浮力作用下的變形進(jìn)行了精確分析計(jì)算。

1 工程實(shí)例簡(jiǎn)介

印度某燃煤發(fā)電廠，采用地下雙層轉(zhuǎn)運(yùn)站。地下1層層高6950 mm，側(cè)壁之間凈空尺寸13200 mm×17200 mm，側(cè)壁厚1200 mm，頂板位于地面下2250 mm，頂面為梁板結(jié)構(gòu)，板厚250 mm;地下2層層高9000 mm，底板厚2000 mm，側(cè)壁之間凈空尺寸13200 mm×17200 mm，側(cè)壁厚1200 mm，地下1層～2層之間為梁板式結(jié)構(gòu)，板厚150 mm。在底板上立有三根柱子用來(lái)支撐1層和2層傳來(lái)的荷載，柱子截面大小為800 mm×800 mm，700 mm×900 mm，800 mm×800 mm，見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 地下轉(zhuǎn)運(yùn)站整體布置圖

圖2 地下轉(zhuǎn)運(yùn)站底板柱布置圖

圖3 地下轉(zhuǎn)運(yùn)站剖面圖

圖4 底板變形圖

V砂巖:中等風(fēng)化～微風(fēng)化，結(jié)構(gòu)完好，少量風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖芯呈長(zhǎng)柱狀，巖芯采取率為51%～100%，RQD為0%～100%，聲脆，不易擊碎。地基承載力特征值為800 kPa。鉆孔內(nèi)揭露地下水水位埋深0.00 m～3.15 m，廠區(qū)常年最高水位可達(dá)地表。

2 結(jié)構(gòu)的整體抗浮分析計(jì)算

2.1 抗浮驗(yàn)算的表達(dá)式

對(duì)于地下建(構(gòu))筑物，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.2條規(guī)定，當(dāng)?shù)叵滤癫剌^淺，建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問(wèn)題時(shí)，尚應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用了荷載效應(yīng)與抗力的關(guān)系表達(dá)式，《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出抗浮穩(wěn)定性系數(shù)和穩(wěn)定性抗力系數(shù)，系數(shù)取值1.05～1.10。文獻(xiàn)[7]20.1 條規(guī)定抗浮穩(wěn)定性系數(shù)為1.2(印度規(guī)范)。現(xiàn)行規(guī)范沒(méi)有明確規(guī)定，各規(guī)范表達(dá)不一。結(jié)合印度現(xiàn)行規(guī)范的要求采取如下的計(jì)算公式和相應(yīng)的系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)組合:DL+F土壓力+F浮力。整體抗浮驗(yàn)算組合:0.9DL+1.2F浮力。

2.2 整體抗浮的計(jì)算結(jié)果

底板厚2.0 m，側(cè)壁厚1.2 m。

側(cè)壁、頂板、頂板梁、中間板、中間梁、柱自重:39451 kN。

頂板覆土重:

2.250×15.6×19.6×8=5503.68 kN。

底板頂鋼筋混凝土墊層厚400 mm:

0.4 (14.4－1.2)×(18.4－1.2)×25=2270.4 kN。

底板重:2×17.6×21.6×25=19008 kN。

挑板覆土重:

整體抗浮滿足要求。

3 柱的局部抗浮計(jì)算

頂板覆土重:2.250×7.2×4.775×8=618.84 kN。

底板頂素混凝土墊層厚400 mm:

0.4×7.2×4.775×25=343.8 kN。

底板厚2.0 m:

2×7.2×4.775×25=1719 kN。

支柱傳來(lái)的頂板和中間板的自重:1613 kN。

合計(jì):

618.84 +343.8+1719+1613=4294.64 kN。

浮力:

(2+0.4+9+6.95)×7.2×4.775×10=6308.73 kN。

經(jīng)計(jì)算當(dāng)?shù)装宓暮穸葹? m時(shí)，靠自重不能滿足局部抗浮要求。

底板厚取8.5 m:

經(jīng)計(jì)算當(dāng)?shù)装宓暮穸热?.5 m時(shí)，靠自重仍然不能滿足局部抗浮要求。但顯然這樣的抗浮方法是不可取的，非常的不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過(guò)分析希望能通過(guò)底板的剛度來(lái)抵抗一部分浮力，而且不至于導(dǎo)致底板和與底板接觸處柱子的變形過(guò)大。

4 有限元模型的建立

4.1 單元的選擇

側(cè)壁、底板、頂板及中間板采用殼單元;柱及梁采用梁?jiǎn)卧Ｐ汀?/p>

4.2 材料參數(shù)

地下轉(zhuǎn)運(yùn)站采用C30防水混凝土，彈性模量為3.0×104N/mm2，泊松比為0.2，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3 N/mm2，材料密度為2500 kg/m3。

4.3 邊界條件

底板下采用只壓彈簧，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和JCCAD(PK＆PM的技術(shù)條件書(shū))的推薦值采用1.0×106kN/m3。

4.4 添加荷載

按照工藝資料荷載和DL 5022-93火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行荷載計(jì)算。

5 變形計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述有限元模型的計(jì)算分析得到以下主要結(jié)果(見(jiàn)圖4):地下轉(zhuǎn)運(yùn)站在地下水浮力作用下的最大位移在1293點(diǎn)為0.711 mm，三根柱(498，499，500)位置處底板在水浮力作用下向上的位移值為0.269 mm，0.305 mm，0.148 mm。此結(jié)果表明由于厚底板的剛度很大，局部上浮力對(duì)柱子的位移影響很小;此微小變形對(duì)與柱子相連的中間層及頂層的梁板造成的影響可以忽略不計(jì)。

6 結(jié)語(yǔ)

1)有限單元法是解決地下轉(zhuǎn)運(yùn)站變形計(jì)算的有效方法，能夠得到精確可信的結(jié)果。

2)在整體抗浮滿足規(guī)范要求的前提下，可以通過(guò)厚底板的剛度來(lái)使局部抗浮滿足規(guī)范要求。

3)通過(guò)厚底板的剛度來(lái)抵抗局部抗浮相對(duì)于只是依靠增加底板重來(lái)抵抗局部抗浮是很經(jīng)濟(jì)的。

[1]GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)[S].

[3]GB 50069-2002，給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB 50332-2002，給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]袁正如.地下工程抗浮設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(3):6.

[6]《給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[7]PLAIN AND REINFORCED CONCRETE CODE OF PRACTICE(Fourth Revision)IS 456:2000(Indian Standard).

[8]DL 5022-93，火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[9][美]威爾遜.結(jié)構(gòu)靜力與動(dòng)力分析——強(qiáng)調(diào)地震工程學(xué)的物理方法[M].第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.