美國標準下的火電廠地下結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

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

當前國內(nèi)經(jīng)濟迅速發(fā)展，部分電力設(shè)計院開始拓展海外市場，陸續(xù)承接海外工程設(shè)計項目。與國內(nèi)項目相比，國際項目中，業(yè)主常常要求按照美國標準進行設(shè)計，因此，能否熟練應(yīng)用美國標準開展工程設(shè)計對國際市場拓展成果具有決定作用。在火電廠地下結(jié)構(gòu)設(shè)計中，包括地下水池、泵房、地下廊道等多項內(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，要求設(shè)計者充分掌握美國標準的設(shè)計流程與方法，使地下結(jié)構(gòu)設(shè)計更加科學穩(wěn)定。

2 火電廠大型地下水池結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 荷載

在大型地下水池結(jié)構(gòu)設(shè)計中，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。與國內(nèi)相比，美國標準在荷載取值、組合系數(shù)選擇方面有所區(qū)別，應(yīng)嚴格按照ASCE 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures而定，尤其是風荷載、地震荷載的選擇，更要開展一系列研究后使工藝得到進一步優(yōu)化。在美國標準背景下，荷載組合以容許應(yīng)力設(shè)計法、荷載抗力系數(shù)設(shè)計法為主，與國內(nèi)極限狀態(tài)法較為相近。在抗力系數(shù)設(shè)計法中，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中對側(cè)向土壓力進行明確規(guī)定，當墻體頂端受到約束時，應(yīng)利用靜止土壓力進行計算；在墻體頂端自由的情況下，可利用主動土壓力進行計算。當墻體高度低于2.44 m（8 英尺），且頂部帶有彈性隔板支撐情況下，可利用主動土壓力計算。在大型地下水池結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如若深度低于2.44 m，可利用主動土壓力計算。若構(gòu)筑物采用樁基，在地下結(jié)構(gòu)抗水平力分析過程中，可計算出被動土壓力，使地震或者風荷載產(chǎn)生的水平力被抵消。其抗剪承載力計算公式為：

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為被動土壓力；UD為揚壓力；A為基礎(chǔ)底面積；F為安全系數(shù)；為基底摩擦系數(shù)；PA為主動土壓力[1]。

2.3 設(shè)計要點

在美國標準背景下，采用國際通用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件STAAD 進行大型地下水池結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)注意2 方面要點：一是地下池體與框架交接位置的應(yīng)力較為集中，很容易增加計算誤差，使計算值偏離真實值，進而影響內(nèi)力分析與配筋計算。對此，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)力集中對設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生的不良影響。二是基礎(chǔ)沉降分析期間，應(yīng)對基礎(chǔ)凈荷載進行計算，重點分析地下水產(chǎn)生的影響。當?shù)叵虏糠譃橄潴w結(jié)構(gòu)時，地下水對凈承載力的影響十分微小，不用考慮。但若是獨立基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)，則要重點分析地下水對水下土容重產(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

3.1 結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建

泵房內(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)控制點的坐標位置，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，將輪廓板分為多個子單元，單元大小結(jié)合實際情況而定。

第三步：水泵基礎(chǔ)模擬。為使模擬基礎(chǔ)更加接近真實情況，強化泵的支撐，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)的方式對立式泵進行模擬，使電機與水泵荷載分別加入不同質(zhì)心點處，將剛性桿與泵基礎(chǔ)相連，使水泵的穩(wěn)定性得到切實保障。

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)計經(jīng)驗初步設(shè)定，經(jīng)過后續(xù)細致分析后再進行微調(diào)，最終創(chuàng)建出STAAD 結(jié)構(gòu)模型。

3.2 基本工況

美國標準的核心內(nèi)容在于基本工況和荷載組合，這也是中美標準的主要區(qū)別所在，對設(shè)計結(jié)果產(chǎn)生較大影響。可見，創(chuàng)建正確的基本工況并準確組合出最差工況，可使設(shè)計安全穩(wěn)定得到切實保障。某工程業(yè)主要求地震荷載遵循Building Code of Pakistan Seismic Provision-2007 進行計算，經(jīng)過對比可知，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進行計算，剩余荷載與組合均按照2015International Building Code進行計算。基本工況如表1 所示[3]。

表1 泵房地下結(jié)構(gòu)基本工況

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 地基承載力檢驗

經(jīng)過STAAD 處理后，可計算出不同工況下基底反力，明確基底反力最大值進行地基承載力檢驗。在美國標準基礎(chǔ)上，通常用沉降控制作為標準，利用計算結(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算值對比，便可完成檢驗?zāi)繕恕８鶕?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展抗傾驗算。美國標準中尚未規(guī)定筏板中無壓力的區(qū)間，該項目要求按照低于20%進行控制。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 強度配筋計算

在強度設(shè)計方面，STAAD 可直接得出梁單元的內(nèi)力，通過內(nèi)力提取的方式獲得梁柱強度，也可參照ACI 318—2014Building Code Requirements for Structural Concrete標準，對梁柱自行確定。因STAAD 可展示出不同單元板內(nèi)力，但整體配筋計算難度較大，在實際工作中可將最大板單元內(nèi)力提取出來進行配筋計算，還可采用STAAD 自帶混凝土板單元進行強度設(shè)計。在配筋設(shè)計時，先對各區(qū)域板單元單獨定義，預(yù)防應(yīng)力集中。根據(jù)板配筋結(jié)果可知，板方向為正，單一流道底板配筋計算結(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 項指標具備最小配筋率。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 項指標不具備最小配筋率[4]。

4 火電廠煤倉地下廊道的結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 中心柱基礎(chǔ)設(shè)計

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)備荷載由機尾部重量、煤斗、棧橋皮帶支架產(chǎn)生的荷載、檢修平臺重量構(gòu)成。不同工況下運行荷載有所區(qū)別，重點分析正常運行與地震作用下的2 種工況，根據(jù)美國標準對2 種工況下各樁的單樁反力分別計算。在整體計算基礎(chǔ)上，還應(yīng)對各個支墩在最大荷載影響下的單樁反力單獨計算。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，每個樁的豎向與水平反力均符合承載力要求。在單樁水平力計算期間，應(yīng)考慮到構(gòu)成要素，計算方式是扭矩產(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)便是單個樁的水平力。基礎(chǔ)底板采用PKPM 系列GCCAD 軟件樁筏、筏板有限元軟件計算，得出底板配筋與樁頂反力。在此基礎(chǔ)上驗算底板抗沖切，確保底板厚度滿足美國標準。在基礎(chǔ)壁板設(shè)計中，以圓筒空間結(jié)構(gòu)分配和牛腿支墩相關(guān)計算為主，還要對抗剪承載力、預(yù)埋錨栓抗拉力等進行計算。因中心柱所受荷載作用于3 個牛腿支墩上，因此，該部分設(shè)計難度相對較大，每個支墩都有地腳螺栓套管穿過，需要在開孔周圍設(shè)置加強筋，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。在堆煤高度計算時，通常選擇高度最大值的1/3，也可通過專業(yè)測定得出。例如，某工程堆煤高度最大值為33.48 m，可取值為11 m 進行計算。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)底板計算與中心柱計算方式相同，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，并對底板抗沖切進行檢驗，使底板厚度得以明確。對于周圍壁板可采用結(jié)構(gòu)軟件進行計算，還可適當精簡計算流程，將各邊壁板根據(jù)三邊固定、上邊簡支得出配筋，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，可利用庫侖定律得出。如若帶有水壓力，土壓力重度便是浮重度，計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，為滿足美國標準規(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，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

地下隧道設(shè)計通常取1 m 段進行設(shè)計，采用矩形閉合箱體，對閉合鋼架結(jié)構(gòu)進行計算，根據(jù)實際情況參考地下隧道設(shè)計指南。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 個方面。地下水位之上的土壓力利用天然重度計算，之下的壓力可利用浮重度計算。水壓力的計算方式為水重度與側(cè)壁板高度的乘積。底板反力計算方式為頂板壓力與隧道頂板、自重反力、活荷載反力之和。通過上述指標的準確計算，使地下隧道設(shè)計更加科學合理、穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語

綜上所述，在火電廠地下結(jié)構(gòu)設(shè)計中，美國標準與中國標準有所不同，在設(shè)計時應(yīng)掌握大型地下水池、岸邊泵房、煤倉地下廊道的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程與方法，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行計算，突破國標設(shè)計思維的限制，嚴格按照美國標準體系開展作業(yè)，使業(yè)主要求得到充分滿足，為我國電力設(shè)計進軍國際市場積累更多寶貴經(jīng)驗。