直接空冷支撐柱與基礎結構計算及程序設計

圣玉蘭 吳雯嫻 王靈芝

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

直接空冷系統具有節水，占地面積小，可以選擇的地方多，空冷島下很多地方可以再利用等優點，能有效解決富煤貧水地區的發電問題，在世界上獲得了快速發展。我國是一個水資源貧乏的國家，水資源時空分布不均，煤炭基地多半集中在缺水地區，特別是在“富煤缺水”的東北、華北、西北發展電力工業，采用直接空冷技術建設節水型電廠是非常有效的節水途徑[1]。高效、環保、節水是21世紀燃煤發電的三大課題，實現可持續發展戰略，大型火電直接空冷技術是實施“節水最大化、排放最小化”的新技術。

直接空冷支撐柱及基礎結構是直接空冷電廠的重要組成部分，直接空冷支撐柱及基礎結構的設計也是電廠結構設計中的一個重要組成部分。然而以往人工手動計算存在工程量巨大、過程繁瑣、耗時耗力、容易出錯等諸多弊端，采用VB進行可視化程序設計能實現上述計算過程，并能有效避免上述弊端，保證設計質量，提高設計速度。同時，在Visual Basic的集成開發環境中設計界面、編寫代碼、調試直至把應用程序編譯成可在Windows系統中運行的可執行文件，開發后的程序可以經過打包處理生成脫離Visual Basic環境仍可安裝運行的可執行文件，能為結構設計提供很大的方便[5]。

1 計算方法

1.1 荷載組合分析計算

空冷凝汽器支架體系主要由鋼桁架平臺和平臺下部鋼筋混凝土柱組成。要對下部鋼筋混凝土柱進行結構計算時，首先需要對上部鋼結構進行有限元分析，得到各柱節點在不同荷載作用下的反力值。上部結構荷載輸入主要包括結構自重、擋風墻載荷、風載荷、雪載荷、地震載荷以及風機動力載荷等。具體輸入過程、荷載組合情況及有限元分析過程不在此文贅述，只提取其計算結果作為下部空冷柱的計算依據。

根據上部結構計算的分析結果，首先對各管柱進行荷載組合分析，荷載分項系數、準永久值系數、組合值系數以及荷載組合方式的選取，遵循現行國家及電力行業荷載規范的規定。荷載組合方式主要包括荷載標準組合、荷載基本組合及荷載偶然組合，根據荷載組合方式最終確定，荷載標準組合計算共計考慮68個工況，荷載標準組合計算共計考慮48個工況，荷載標準組合計算共計考慮16個工況，計算得到各柱在上述工況下的內力值。

1.2 管柱配筋計算

混凝土管柱的最大彎矩位于柱腳處，因此取荷載標準組合工況下支座反力作為柱的設計荷載。當柱腳滿足的時候，其他地方都是滿足的[2]。

沿周邊均勻配置縱向鋼筋的環形截面偏心受壓構件，其正截面受壓承載力應滿足式(1)，式(2)的要求[3]。

說明：本文只摘錄主要公式，公式中各符號的含義見相應規范中的詳細說明。

N≤αα1fcA+(α-αt)fyAs

(1)

(2)

此外，管柱受剪截面尺寸應符合式(3)的要求：

(3)

受剪承載力應符合式(4)的要求：

(4)

1.3 樁基承載力計算

當地質條件不夠好，管柱地基處理擬采用樁基時，需要對樁基及樁基承臺進行設計。樁的選型與布置、基樁構造及承臺構造等應滿足相關規范的要求。同時，驗算樁基承載力時，應驗算在不同荷載組合作用下軸心豎向力作用下單樁樁頂豎向力、偏心豎向力作用下單樁樁頂豎向力和水平力作用下單樁樁頂水平力分別按以下式(5)～式(7)計算[6]：

(5)

(6)

(7)

計算后按要求分別判斷其是否滿足樁基承載力要求。

1.4 樁基承臺的計算

承臺的設計及計算主要包括以下幾個方面：

1)承臺的受彎計算：

對于管柱常用的多樁矩形承臺，承臺的彎矩設計值可按式(8)，式(9)計算：

Mx=∑Nizi

(8)

Mz=∑Nixi

(9)

取上述彎矩較大值按照《混凝土結構設計規范》進行承臺的受彎承載力及配筋計算，且承臺配筋面積應該滿足最小配筋率的要求。

2)柱對承臺的沖切驗算：

根據《建筑地基基礎設計規范》，柱對承臺的沖切驗算時應滿足式(10)：

Fl≤2[βox(bc+aoz)+βoz(hc+aox)]βhpfth0

(10)

3)角樁對承臺的沖切驗算：

根據《建筑地基基礎設計規范》，角樁對承臺的沖切驗算時應滿足式(11)：

(11)

4)承臺的斜截面受剪承載力計算：

根據《建筑地基基礎設計規范》，承臺的斜截面承載力應滿足式(12)：

V≤βhsβftb0h0

(12)

2 可視化程序設計

2.1 程序運行的軟硬件環境

計算機硬件環境要求：CPU：Pentium 4 1.0 G及以上，內存：256 MB，硬盤：20 G可用空間。

計算機軟件：操作系統：Windows，程序語言：Visual Basic 6.0。

2.2 程序設計思路

該程序利用上述理論計算方法并結合工程設計要求編寫[4]，框圖如圖1所示。

2.3 程序介紹及實例計算

以某發電廠直接空冷支撐柱為例：該工程位于久侵蝕的準平原，廠區抗震設防烈度為6度，基本風壓0.5 kPa。空冷平臺地段多為含粘性土粉砂，為Ⅲ級～Ⅳ級自重濕陷性土層，因此地基處理考慮采用直徑800 mm鉆孔灌注樁，結合直接空冷支撐系統的布置及本工程相關資料進行空冷系統的結構設計。

空冷支柱的計算長度為58.6 m，管柱采用C40混凝土，內、外半徑分別為1.3 m,1.7 m，采用HRB400級鋼筋，混凝土保護層厚度為40 mm。

根據地勘資料及工程經驗初步擬定空冷支柱的樁基承臺的尺寸、混凝土強度等級、樁基個數及樁基布置等相關內容。

將上述基本數據輸入本程序，并點擊“管柱節點荷載文件”導入上部鋼結構廠家提供的管柱在不同荷載作用下的反力值，程序計算信息輸入界面如圖2所示。相關計算信息輸入完畢后即可點擊“開始計算”程序，計算完成后生成統一的計算文件，以excel文件保存(此文件可直接作為結構設計的計算依據供校審及相關審查)。結果文件包括管柱節點在1.1節所提到的132種不同工況對應的內力值、標準組合工況計算得到的相應的樁基承載力驗算數據、基本組合和偶然組合工況計算得到的相應的管柱配筋面積并比較得到的滿足要求的最經濟解、樁基承載力驗算結果及承臺配筋及相關驗算結果等(由于內容較多，此處未用圖示)。

通過程序計算生成的結果文件與以往手動計算結果對比可知，荷載組合分析、樁基承載力驗算、承臺相關計算的結果完全一致，程序計算避免了手動計算的繁瑣步驟。在管柱配筋計算方面，由于式(1),式(2)為超越方程，求解As的過程是一個迭代過程，用手算的方式只能通過多次試算求得近似解，無法求得準確解。然而編制程序后，利用計算機自動求解，可準確、快速得到更為準確、經濟的計算結果。特別是對于多個支柱節點多種工況的情況，利用程序計算的優點更加凸顯。

3 結語

該軟件的開發已經達到預期目標，功能較為完善，具有友好的人機交互窗口式界面，數據填寫簡單，具有較快的運行速度和較高的計算精度，方便操作。該軟件的使用能大幅提升直接空冷柱及基礎結構設計的工作效率；實現了直接空冷支撐柱及基礎結構計算的計算機化并形成統一計算書；規范提資、計算、成果選用的設計行為；避免設計安全漏洞；有利于今后我院在直接空冷結構設計領域的整體設計水平的提高，做到在保證質量的基礎上，提高了設計效率和準確率，且具有一定的技術經濟效益，能更好地適應市場需求。

[1] 戴振會，孫奉仲，王宏國.國內外直接空冷系統的發展及現狀[J].電站系統工程，2009，25(3):1-4.

[2] 蘇 釗.空冷島環形柱的設計及施工[J].城市建設理論研究(電子版)，2013(3):23.

[3] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[4] 王 超.Visual Basic 程序設計[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[5] 鞏建華，孫秀梅，安 劍.Visual Basic學習手冊[M].北京：電子工業出版社，2011.

[6] JGJ 94—2008，建筑樁基設計規范[S].