韓啟超，于 穎，姜 雪，侯春陽

(1. 中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021；2. 吉林省建研建筑設(shè)計(jì)有限公司，長春 130012)

隨著我國電力設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提高，國內(nèi)各電力設(shè)計(jì)院開始拓展海外工程市場，并逐漸開始承擔(dān)一些國際電力工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)咨詢工作。與國內(nèi)工程相比，國際項(xiàng)目一個突出的特點(diǎn)是業(yè)主要求在設(shè)計(jì)過程中采用美國標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱美標(biāo))。由于我國土建設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與美標(biāo)存在較大差異，如果不具備采用美標(biāo)設(shè)計(jì)的能力，會直接導(dǎo)致在設(shè)計(jì)競標(biāo)中失敗或在設(shè)計(jì)過程中舉步維艱，因此，能否熟練采用美標(biāo)進(jìn)行電力工程設(shè)計(jì)，成為決定海外市場拓展成果的關(guān)鍵因素。

二次循環(huán)水泵房是保證電廠熱平衡的重要組成部分，其地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與地上結(jié)構(gòu)部分相比，更具有體量大、工作環(huán)境復(fù)雜、結(jié)構(gòu)分析困難等特點(diǎn)[1-2]。開展基于美標(biāo)的二次循環(huán)水泵房地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作，極具理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

巴基斯坦某9H燃機(jī)項(xiàng)目(1 180 MW)采用2+2+1的聯(lián)合循環(huán)電廠配置，設(shè)置直流冷卻水和循環(huán)冷卻水雙系統(tǒng)。在考慮冗余因素并符合n+1原則的基礎(chǔ)上，雙系統(tǒng)各設(shè)置2+1臺冷卻水泵，以滿足機(jī)組用水需求。其中，直流冷卻水泵房由33.5 m×15 m的地上泵房及29 m×19.5 m的流道組成，流道底板頂標(biāo)高-11.1 m。

由于業(yè)主要求完全采用美標(biāo)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的泵房設(shè)計(jì)方法已無法滿足要求。實(shí)例泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于美標(biāo)的通用有限元結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件STAAD.PRO[3]，將地上鋼結(jié)構(gòu)廠房與地下池體結(jié)構(gòu)單獨(dú)分析計(jì)算。本文僅討論地下部分的結(jié)構(gòu)分析過程。

2 結(jié)構(gòu)分析模型及計(jì)算工況

2.1 分析模型的建立

泵房共3條6.5 m寬的流道，另設(shè)檢修區(qū)(跨距7.5 m)和配電間(跨距6.5 m)。在分析結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于STAAD.PRO的三維建模功能，分5步建立地下結(jié)構(gòu)模型。

a.構(gòu)建模型輪廓。確定結(jié)構(gòu)的控制點(diǎn)坐標(biāo)，并建立桿單元模擬梁柱結(jié)構(gòu)，搭建起地下結(jié)構(gòu)的桿系外輪廓。

b.建立板單元。利用STAAD.PRO的填充板功能，將桿單元構(gòu)成的輪廓以板單元填充，模擬墻板結(jié)構(gòu)；再利用板單元網(wǎng)格劃分功能將輪廓板劃分為0.5 m×0.5 m的計(jì)算單元(計(jì)算板單元大小根據(jù)實(shí)際計(jì)算需要調(diào)整)。

c.以剛性桿模擬水泵基礎(chǔ)。為了接近真實(shí)的模擬基礎(chǔ)對泵的支撐作用，改變以往直接施加均布荷載模擬水泵對基礎(chǔ)作用的方式，通過建立水電機(jī)-水泵剛性桿系統(tǒng)模擬立式泵，可將電機(jī)和水泵荷載(包括靜載和動載)分別加于不同的質(zhì)心點(diǎn)位置，并通過剛性桿與泵基礎(chǔ)連接，保證泵的穩(wěn)定性。

d.定義基礎(chǔ)約束。由于泵房采用天然地基，因此可以用STAAD.PRO的筏板基礎(chǔ)(Plate Mat Foundation)建立約束，具體命令為PLATE MAT DIRECT ALL SUBGRADE f1、f2、f3 PRINT，其中，f1、f2、f3分別為Y、X、Z方向土的壓縮模量。

e.初步確定梁單元尺寸及板單元厚度。梁尺寸及板厚可根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初選，待分析完成之后再進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

建立完成的STAAD.PRO模型見圖1。

圖1 二次循環(huán)水泵房三維模型

2.2 基本工況及荷載組合

基本工況及荷載組合是美國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。對荷載組合規(guī)定的不同，是中美規(guī)范對設(shè)計(jì)要求的主要區(qū)別，且對設(shè)計(jì)結(jié)果有著決定性的影響。因此，建立正確的基本工況并適當(dāng)?shù)亟M合出最不利工況，是保證設(shè)計(jì)安全及成功的關(guān)鍵。

巴基斯坦業(yè)主要求地震荷載需要依據(jù)BCP-2007[4]計(jì)算。經(jīng)對比，BCP-2007對地震荷載的規(guī)定與UBC-1997[5]一脈相承，因此在實(shí)際操作中均以UBC-1997作為地震荷載計(jì)算依據(jù)。除此以外的其他荷載及荷載組合均根據(jù)IBC-2015[6]和ASCE 7-2010[7]計(jì)算。

2.2.1 地下結(jié)構(gòu)基本工況

a.結(jié)構(gòu)自重工況(FDN)：水池結(jié)構(gòu)自身重力。

b.設(shè)備自重工況(DE)：循環(huán)水泵、輔泵、閥門、管道、濾網(wǎng)等設(shè)備自身重力。

c.水池內(nèi)水壓力工況(F)：考慮最高設(shè)計(jì)水位時水的豎向和側(cè)向壓力。

d.池外土的側(cè)土壓力工況(H)：此工況僅考慮土的側(cè)土壓力，不考慮地下水的作用。

e.池外地下水的作用工況(GWTH、GWTL)：此工況需考慮最高地下水位及最低地下水位作用下對池體結(jié)構(gòu)的側(cè)向壓力和浮力。由于側(cè)土壓力未考慮地下水作用，考慮水的側(cè)向力時應(yīng)扣除土浮重度的側(cè)向作用部分。

f.地震荷載工況(EX， EZ)[8]：依據(jù)UBC-1997運(yùn)用水平剪力法計(jì)算。廠址地震場地類別為2A，場地系數(shù)Z=0.15，土壤剖面類型為SD，重要性系數(shù)I=1.0，地震響應(yīng)修正系數(shù)R=3.5。池體為剛性結(jié)構(gòu)，地震荷載計(jì)算式為：

V=0.7CaIG

(1)

式中：V為水平剪力；Ca為地震系數(shù)；G為結(jié)構(gòu)自身重力。

此外，需將地上結(jié)構(gòu)的各單工況荷載計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)入地下結(jié)構(gòu)模型相應(yīng)工況的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

2.2.2 荷載工況組合

依據(jù)ASCE 7-10[7]關(guān)于荷載組合的規(guī)定(2.3節(jié)和2.4節(jié))，分別按照容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法(ASD)和荷載抗力系數(shù)法(LRFD)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行荷載工況組合。同時，還應(yīng)依據(jù)ACI 350-2006[9]對容器環(huán)境耐久性使用的規(guī)定，考慮LRFD組合下乘以1.3的環(huán)境耐久系數(shù)組合。ASD及LRFD荷載工況組合(部分)對比見表1，其中， D工況包括地上恒載工況DL與FDN；L為活載工況，OP為運(yùn)行荷載工況，LR為上部結(jié)構(gòu)傳來的屋面荷載工況；W為地上風(fēng)荷載工況；CVM、CVS、CLS 、CSS、CBS均為地上結(jié)構(gòu)吊車荷載工況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地基承載力驗(yàn)算

在STAAD.PRO后處理中，可以提取到各工況下基底反力。

a.找到最大地基反力工況，進(jìn)行考慮浮力的地基承載力驗(yàn)算。由于美標(biāo)的地基承載力驗(yàn)算，一般以沉降控制的地基凈承載力為控制標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要用計(jì)算結(jié)果中的地基反力，扣除對應(yīng)工況下相應(yīng)深度下土的重度(包括地下水)。本工程沉降控制為50 mm，通過對比相應(yīng)基礎(chǔ)面積下的地基凈承載力限值與計(jì)算值，即可進(jìn)行地基承載能力驗(yàn)算。最大地基反力工況下地基反力云圖見圖2。由圖2可知，最大地基反力約為300 kPa，出現(xiàn)在泵房平面位置的左上角；最小地基反力約為80 kPa，出現(xiàn)在泵房平面位置的右下角。

表1 ASD及LRFD荷載工況組合(部分)對比

圖2 最大地基反力工況下地基反力云圖

b.找到最小地基反力工況，進(jìn)行抗傾驗(yàn)算。美標(biāo)中對筏板基礎(chǔ)零壓力區(qū)限值并沒有明確規(guī)定，本工程均按不超過20%控制。最小地基反力工況下地基反力云圖見圖3。由圖3可知，最大地基反力約為210 kPa，出現(xiàn)在泵房平面位置的上部；最小地基反力約為-19 kPa，出現(xiàn)在泵房平面位置的下部。

圖3 最小地基反力工況下地基反力云圖

3.2 強(qiáng)度設(shè)計(jì)及裂縫驗(yàn)算

STAAD.PRO可直接給出梁單元的內(nèi)力，因此梁、柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)可通過提取內(nèi)力的方式由第三方計(jì)算軟件完成，也可根據(jù)ACI 318-2014[10]中關(guān)于梁、柱的計(jì)算要求自行計(jì)算確定。

由于STAAD.PRO給出的是各單元板內(nèi)力，板單元整體配筋計(jì)算略顯困難。實(shí)際操作中可提取最大板單元內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算，也可利用STAAD.PRO自帶的混凝土板單元強(qiáng)度設(shè)計(jì)功能進(jìn)行配筋計(jì)算。在利用STAAD.PRO進(jìn)行板配筋設(shè)計(jì)時，應(yīng)將不同區(qū)域的板單元分別進(jìn)行定義，以避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)。STAAD.PRO板配筋結(jié)果分別給出板頂與板底(由板的正方向決定)的X向與Y向配筋。板向上為正方向，單個流道底板配筋計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 STAAD.PRO板強(qiáng)度配筋計(jì)算結(jié)果

完成強(qiáng)度設(shè)計(jì)之后，還應(yīng)根據(jù)ACI 350-2006中關(guān)于裂縫控制的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

4 結(jié)束語

以STAAD.PRO為基本設(shè)計(jì)平臺，以自編程序進(jìn)行輔助驗(yàn)算，可以實(shí)現(xiàn)泵房地下結(jié)構(gòu)的美標(biāo)設(shè)計(jì)，結(jié)果可靠且設(shè)計(jì)合理?；诿罉?biāo)的二次循環(huán)水泵房地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，需重點(diǎn)解決以下幾個方面的問題。

a. 選擇合理的設(shè)計(jì)工具。STAAD.PRO基于美標(biāo)開發(fā)，是理想的設(shè)計(jì)工具。

b.結(jié)構(gòu)模型的建立，應(yīng)充分考慮到結(jié)構(gòu)合理性與分析可靠性。以梁單元首先建立模型輪廓，很好地解決了模型空間復(fù)雜、建模易出錯的問題。

c.基本工況與荷載組合是決定分析正確性的關(guān)鍵因素。應(yīng)合理建立足夠的基本工況，并組合出最不利工況，才能保證設(shè)計(jì)的可靠性。

d.地基承載力驗(yàn)算應(yīng)考慮沉降控制下的地基凈承載力限值。沉降量與基礎(chǔ)大小和土體情況密切相關(guān)，設(shè)計(jì)應(yīng)配合地勘確定合理的沉降控制曲線。