排水井結構設計中風荷載的計算

戴海旭

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

尾礦庫設置排水系統，可以及時排除庫內降雨形成的洪水，以確保尾礦庫的安全，因此排水系統對尾礦庫的安全起著至關重要的作用。較為常見的排水系統是“井- 管”式排水系統，而排水井是“井- 管”式排水系統的重要組成部分，因此需要合理地計算和設計排水井。通過洪水計算、調洪演算確定排水井的直徑及高度等基本尺寸之后，就可以對排水井進行結構設計。排水井屬于高聳結構，在運行前期，風荷載對排水井影響最大，因此在排水井結構設計中如何計算確定好風荷載至關重要。

1 排水井的基本尺寸

排水井主要有四種形式，窗口式排水井、框架式排水井、砌塊式排水井和井圈疊裝式排水井，排水井形式示意圖如圖1所示。

圖1 排水井形式示意圖

目前應用較普遍的是窗口式排水井和框架式排水井，均為整體鋼筋混凝土結構，本文所述內容適用于窗口式排水井和框架式排水井，不適用于砌塊式排水井和井圈疊裝式排水井。

排水井由井身和井座兩部分組成，井身為進水部分，井座是排水井與排水管銜接的部分。在進行結構設計之前，需先通過尾礦庫的洪水計算及調洪演算，從工藝和功能要求上確定排水井的基本尺寸，如排水井的高度H1、井身內徑D1、井座內徑D2和井座滿足消能要求的最小深度H2，如圖2所示，進而結合這些基本尺寸，對排水井進行合理的結構設計，使其兼具功能性、安全性與經濟性。

圖2 排水井基本尺寸

2 排水井結構設計基本理念

排水井結構設計時，對于不同的設計工況，當用內力的形式表達時，排水井結構構件應采用下列承載能力極限狀態設計表達式[1]。

γ0S≤R

(1)

式中γ0—結構重要性系數；

S—承載能力極限狀態下作用組合的效應設計值；

R—結構構件的抗力設計值。

不論排水井整體結構還是局部構件，都可通過公式(1)所表示的承載能力極限狀態計算法進行設計。通常意義上，S為外界荷載在不同工況下合理組合后對排水井結構或構件所產生的拉、壓、彎、剪、扭等作用效應的設計值，而R為排水井結構或構件自身所具有的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗扭等抗力設計值。排水井結構設計的目的，即為在保證排水井抗力設計值能滿足各種最不利工況荷載作用效應設計值的前提下，使結構經濟合理。以上為排水井結構設計的基本理念，這個理念將貫穿整個排水井結構設計的始終。

結構重要性系數γ0依據設計使用年限進行劃分，見表1[2]。

表1 結構重要性系數劃分表

對于常見的排水井，設計使用年限一般在5～50年之間，所以結構重要性系數γ0取1.0即可。

排水井的抗力設計值R與混凝土結構的配筋形式關系密切，不在本文討論范圍內，本文重點討論計算排水井所受風荷載效應設計值S的計算。

3 排水井受荷分析

排水井屬于高聳結構，所受的荷載有自重、尾礦壓力、澄清水壓力、風荷載和地震荷載(當場地設防烈度大于6度時)。排水井不同運行時期、不同工況下，設計計算的對象不同，荷載效應組合的形式也不同，一般分為運行初期和運行終期兩個時期進行分析，而風荷載在運行初期對排水井的作用效應最明顯，所以本文僅考慮運行初期的排水井。

運行初期，排水井已建成但未投產使用，對于場地設防烈度不大于6度的地區，排水井所受的水平荷載只有風荷載，在風荷載標準值的作用下，排水井受力形式如圖3所示。

圖3 排水井風荷載受力形式

因為風荷載是可變荷載，所以排水井所受風荷載的效應設計值S應按公式(2)確定：

S=γQSk

(2)

式中S—承載能力極限狀態下作用組合的效應設計值；

Sk—承載能力極限狀態下作用組合的效應標準值；

γQ—風荷載的分項系數，取1.4。

對于排水井結構計算，Sk通常為彎矩標準值和剪力標準值，而計算彎矩標準值和剪力標準值最重要的是確定風荷載標準值ωk。

4 排水井所受風荷載標準值ωk的確定

根據《建筑結構荷載規范》[1]及《高聳結構設計規范》[3]，垂直于排水井表面上的風荷載標準值，應按公式(3)確定：

ωk=βzμsμzω0

(3)

式中ωk—風荷載標準值，kN/m2；

βz—高度z處的風振系數；

μs—風荷載體型系數；

μz—風壓高度變化系數；

ω0—基本風壓，kN/m2。

通過以上公式可以看出，計算排水井所受的風荷載標準值需要確定4個參數值：βz、μs、μz、ω0，其中，基本風壓ω0根據規范附錄所帶的《全國各城市的雪壓、風壓和基本氣溫表》或各地的手冊可查詢得出；風壓高度變化系數μz根據排水井所在地區的地面粗糙度結合排水井的高度也可得出，同時根據排水井所處山峰或山谷的不同位置需乘以相應的系數，這在規范中都有明確的說明。而風振系數βz和風荷載體型系數μs需經過演算推導才可得出，這也是計算排水井風荷載的關鍵所在，下面分別就這兩個系數的演算推導進行論述。

4.1 風振系數βz

對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的結構，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各種高聳結構，應考慮風壓脈動對結構產生順風向風振的影響，否則風振系數βz=1，因此需要確定排水井的高度H和基本自振周期T1，而排水井的高度是一定的，此處重點需要確定排水井的基本自振周期T1。

因為沒有專門針對排水井基本自振周期的計算公式，因此需根據常規公式進行演算推導，依據《建筑結構荷載規范》附錄F：

F.1.1 一般高聳結構的基本自振周期，鋼結構可取下式計算的較大值，鋼筋混凝土結構可取下式計算的較小值；

T1=(0.007～0.013)H

(F.1.1)

式中H—結構的高度，m。

F.1.2 煙囪和塔架等具體結構的基本自振周期可按下列規定采用：

煙囪的基本自振周期可按下列規定計算：

(1)高度不超過60 m的磚煙囪的基本自振周期按下式計算：

(F.1.2-1)

(2)高度不超過150 m的鋼筋混凝土煙囪的基本自振周期按下式計算：

(F.1.2-2)

(3)高度超過150 m，但低于210 m的鋼筋混凝土煙囪的基本自振周期按下式計算：

(F.1.2-3)

式中H—煙囪高度，m;

d—煙囪1/2高度處的外徑，m。

一般排水井是鋼筋混凝土結構，根據公式(F.1.1)，應取較小值，而排水井并非封閉結構，相對一般鋼筋混凝土結構，排水井結構剛度更小，柔度更大，所以實際計算時取值可適當取大點，但不能超過鋼結構的取值。同理，根據公式(F.1.2)計算得出的基本自振周期值同樣需適當取大點。

根據以上公式結合實際情況得出基本自振周期T1后，即可根據規范中的相關公式求出風振系數βz。

4.2 風荷載體型系數μs

排水井不是封閉結構，與煙囪及高層建筑等高聳結構在受力上并不完全等同，且排水井結構通常只用于尾礦庫的排洪，使用范圍較小，所以兩本規范中均沒有針對性的風荷載體型系數μs值，需要根據相似情況進行合理推導?！陡呗柦Y構設計規范》中規定了懸臂結構整體計算時體型系數的取值，見表2。

表2 風荷載體型系數μs

排水井是圓形結構，但因其不是封閉結構，故不能簡單套用規范中圓形結構的系數取值。排水井井身有較多泄水孔洞，根據垂直于井身的投影圖，直接承受風壓的面積并沒有減少多少，反而因為孔洞的增多，使氣流流態變差，可能會對排水井的受力產生更不利的影響，所以建議按正多邊形的取值范圍進行取值，偏于安全。

5 結語

綜上所述，已確定計算風荷載標準值所需的各個參數值，根據公式可得出風荷載標準值ωk，結合前面章節內容即可求出風荷載對排水井作用的效應設計值，進而可對排水井結構進行結構設計。

以上排水井所受風荷載的計算方法，在實際工程中的排水井結構計算和設計中已成功運用，所設計的排水井已安全運行至今，此計算方法可供今后排水井的計算和設計參考與借鑒。