張衛(wèi)東

(中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司，杭州 310016)

0 引言

地基基礎(chǔ)沉降控制是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)內(nèi)容，也是國際總承包工程中的一個重要考核指標(biāo)，地基基礎(chǔ)沉降的荷載設(shè)計(jì)值，直接決定了地基基礎(chǔ)沉降量的計(jì)算結(jié)果，是沉降量計(jì)算的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)之一。中國標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“國標(biāo)”)與電廠相關(guān)的地基基礎(chǔ)沉降荷載計(jì)算規(guī)范有《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](以下簡稱《基礎(chǔ)規(guī)范》)、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2](以下簡稱《荷載規(guī)范》)、《火電廠和核電廠常規(guī)島主廠房荷載設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[3](以下簡稱《荷載規(guī)程》)、《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[4](以下簡稱《土規(guī)》)等，美國標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“美標(biāo)”)與地基基礎(chǔ)沉降荷載計(jì)算相關(guān)的規(guī)范為Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures[5](《建筑和其它構(gòu)筑物最小設(shè)計(jì)荷載和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)》，以下簡稱“ASCE/SEI 7-16”)，中國標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“中美標(biāo)準(zhǔn)”)對建(構(gòu))筑物的板、梁、柱、基礎(chǔ)等荷載計(jì)算規(guī)定非常詳實(shí)和完善，但對與地基基礎(chǔ)沉降相關(guān)的荷載界定和計(jì)算方法尚有不清晰之處，特別是對荷載類型較多的工業(yè)項(xiàng)目，容易造成設(shè)計(jì)人員的計(jì)算差錯，對地基基礎(chǔ)方案造成不利影響，因此，對中美標(biāo)準(zhǔn)地基基礎(chǔ)沉降荷載計(jì)算原則和取值方法做進(jìn)一步的分析研究是有必要的。

1 中美標(biāo)準(zhǔn)地基基礎(chǔ)沉降荷載計(jì)算規(guī)定

1.1 荷載定義

與地基基礎(chǔ)沉降相關(guān)的荷載為國標(biāo)的永久荷載、可變荷載，美標(biāo)為恒荷載(dead load)、活荷載(live load)，中美標(biāo)準(zhǔn)對其定義和劃分范圍見表1所列(為統(tǒng)一表達(dá)，后文將永久荷載、恒荷載統(tǒng)稱為“恒載”，將可變荷載、活荷載統(tǒng)稱為“活載”)。從表1可以看出，中美標(biāo)準(zhǔn)對恒載的定義基本一致，國標(biāo)的活載為廣義定義，美標(biāo)的活載為狹義定義。對于吊車荷載中美標(biāo)準(zhǔn)有所不同，國標(biāo)將包括自重和起吊荷載合并為吊車荷載定義為活載，美標(biāo)將吊車自重定義為恒載，額定起吊荷載定義為活載[5]。

表1 中美標(biāo)準(zhǔn)荷載定義和劃分表

1.2 荷載計(jì)算

1.2.1 荷載效應(yīng)計(jì)算公式

《基礎(chǔ)規(guī)范》規(guī)定計(jì)算地基變形時采用準(zhǔn)永久值組合時基礎(chǔ)底面處的附加應(yīng)力，《荷載規(guī)范》規(guī)定準(zhǔn)永久值組合效應(yīng)設(shè)計(jì)值為：

式中：Sd為荷載組合的效應(yīng)值，SGjk為按第j個永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gjk計(jì)算的荷載效應(yīng)值，ψqi為第i個可變荷載的準(zhǔn)永久值系數(shù)，SQik為按第i個可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計(jì)算的荷載效應(yīng)值，m為參與組合的永久荷載數(shù)，n為參與組合的可變荷載數(shù)[2]。

ASCE/SEI 7-16規(guī)定沉降計(jì)算荷載組合為：

式中：D為恒荷載，L為活荷載。其中0.5相當(dāng)于國標(biāo)的準(zhǔn)永久值系數(shù)。

1.2.2 電廠主廠房計(jì)算荷載的確定

長期來，語文教師已經(jīng)形成了“點(diǎn)滴不漏”的“全景式”施教的教學(xué)思維與教學(xué)習(xí)慣，他們生怕自己的一點(diǎn)小疏忽會造成學(xué)生的大損失，于是用自己的“扎實(shí)”與“勤奮”對文本進(jìn)行著詳盡的解讀，并從字詞句篇到語修邏文對學(xué)生進(jìn)行周全的訓(xùn)練，使語文課堂教學(xué)不但沒有“瘦身”，而且更加“肥胖”，致使一篇優(yōu)美的文章常常被肢解得支離破碎，學(xué)生失去了閱讀的興趣。為此，我們需要從沒有主次、雜亂無章的教學(xué)狀態(tài)中解放出來，還語文教學(xué)簡約而又本真的面目，彰顯課堂的高效性。

中美標(biāo)準(zhǔn)對恒載的規(guī)定基本一致，直接取恒載標(biāo)準(zhǔn)值即可，電廠的活載可細(xì)分為樓面活載、屋面活載、雪荷載、吊車荷載、檢修荷載、施工荷載等，中美標(biāo)對這些活載的取用規(guī)定見表2所列。

表2 中美標(biāo)準(zhǔn)活載取用規(guī)定表

從表2可以看出，中美標(biāo)準(zhǔn)的差異在于是否計(jì)算雪荷載，對于吊車荷載的規(guī)定需要進(jìn)一步明確，國標(biāo)的準(zhǔn)永久值系數(shù)大于美標(biāo)的活載系數(shù)，為美標(biāo)的1.2倍。

2 中美標(biāo)準(zhǔn)地基基礎(chǔ)沉降活載計(jì)算對比

中美標(biāo)準(zhǔn)對恒載的定義基本一致，需要對比的部分為廣義活載的計(jì)算。某1 000 MW等級火電廠汽機(jī)房和某500 MW等級聯(lián)合循環(huán)燃機(jī)電站汽機(jī)房地基基礎(chǔ)沉降活載計(jì)算結(jié)果見表3所列。按所有設(shè)備和管道荷載均計(jì)入恒載考慮，國標(biāo)樓面活載為2.0 kN/m2，美標(biāo)樓面活載為1.92 kN/m2，中美標(biāo)準(zhǔn)樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)別不大?；痣姀S無雪荷載，燃機(jī)電站雪荷載為0.5 kN/m2。

表3 中美標(biāo)準(zhǔn)活載計(jì)算結(jié)果表

從表3可以看出，火電廠汽機(jī)房A列國標(biāo)活載設(shè)計(jì)值為美標(biāo)的1.50、2.10倍，B列為2.08、2.26倍，即國標(biāo)計(jì)算結(jié)果為美標(biāo)的2倍左右，主要原因是國標(biāo)的屋面、樓面活載折減系數(shù)遠(yuǎn)大于美標(biāo)，即折減幅度較小。對于燃機(jī)電站單層汽機(jī)房，國標(biāo)活載只有雪荷載一項(xiàng)，且荷載值很小，美標(biāo)由于不考慮雪荷載，故設(shè)計(jì)值為0。

從表3也可以看出，中美標(biāo)準(zhǔn)在中柱位置差異最大，角柱相對較小，原因在于美標(biāo)計(jì)算折減系數(shù)時考慮了從屬面積對折減的影響，從屬面積越大則折減越多，同時對角柱、邊柱、中柱也進(jìn)行了不同的折減，角柱折減幅度最小，其次是邊柱和中柱，筆者判斷美標(biāo)考慮了角部易有物品堆積這一情況，同理，邊柱比中柱也更易有物品堆積。這一計(jì)算方法值得國標(biāo)借鑒。

3 荷載取值分析

3.1 關(guān)于樓面活載取值

《荷載規(guī)程》和《土規(guī)》規(guī)定“當(dāng)工藝專業(yè)提供全部設(shè)備和管道荷載時，樓面活載可按2.0 kN/m2確定”，其中包括操作人員、一般工具、零星材料和成品自重。同時也規(guī)定當(dāng)工藝專業(yè)提供主要設(shè)備和管道荷載時，樓面活載按表取用，所列活載指采用常規(guī)安裝和檢修措施時的樓面等效均布活載[3]，可以看出，表中的活載遠(yuǎn)大于2.0 kN/m2，比如火電廠汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層為40 kN/m2，參考規(guī)范中所列鄒縣四期運(yùn)轉(zhuǎn)層檢修以外活載按10 kN/m2考慮，則檢修活載為30 kN/m2，而檢修荷載在地基基礎(chǔ)沉降計(jì)算時是不予考慮的，如果按表取用則A列邊柱、B列中柱單個基礎(chǔ)僅運(yùn)轉(zhuǎn)層從屬面積貢獻(xiàn)的檢修活載就已達(dá)到2 400 kN，等于基礎(chǔ)荷載準(zhǔn)永久值多計(jì)算了720 kN，除氧間多計(jì)算了450 kN，不應(yīng)計(jì)入沉降計(jì)算的檢修荷載A列占總準(zhǔn)永久值組合效應(yīng)約22%、B列占20.5%，按照國標(biāo)沉降計(jì)算公式，地基基礎(chǔ)沉降量與準(zhǔn)永久組合值為線性關(guān)系，如果以國標(biāo)200 mm允許沉降量為實(shí)際沉降量進(jìn)行控制，則錯誤的計(jì)算結(jié)果約為A列244 mm、B列240 mm。

建議在地基基礎(chǔ)沉降計(jì)算時，即便工藝專業(yè)只提供了主要設(shè)備和管道荷載，也應(yīng)對未提供的固定設(shè)備荷載進(jìn)行估算，特別是運(yùn)轉(zhuǎn)層，即使這種估算不是很準(zhǔn)確，但因?yàn)橛行蕹藱z修活載，計(jì)算結(jié)果只能更接近于沉降實(shí)際值。

3.2 關(guān)于吊車荷載

《荷載規(guī)范》規(guī)定“廠房排架設(shè)計(jì)時，在荷載準(zhǔn)永久組合中可不考慮吊車荷載”，因?yàn)樘幱诠ぷ鳡顟B(tài)的吊車，一般很少會持續(xù)地停留在某一個位置上，所以在正常條件下，吊車荷載的作用都是短時間的，這里的廠房排架設(shè)計(jì)既可以理解為包括基礎(chǔ)的整個排架結(jié)構(gòu)體系，也可以理解為排架上部結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用時易產(chǎn)生歧義?！锻烈?guī)》規(guī)定“在計(jì)算地基沉降時，僅計(jì)入主廠房吊車自重產(chǎn)生的荷載”。同時在條文說明中也指出“根據(jù)主廠房吊車使用效率不高，最大吊重使用頻率較低的實(shí)際情況，計(jì)算地基沉降時可不考慮吊重”。

這里存在兩個問題：《荷載規(guī)范》的準(zhǔn)永久值組合中的吊車荷載是否包括吊車自重；《土規(guī)》中計(jì)入吊車自重，是否每個基礎(chǔ)都應(yīng)將自重計(jì)入荷載組合。

《荷載規(guī)范》規(guī)定“吊車豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)采用吊車的最大輪壓或最小輪壓”，因此吊車荷載應(yīng)包括自重，條文說明認(rèn)為當(dāng)空載吊車經(jīng)常被安置在指定的某個位置時，計(jì)算吊車梁的長期荷載效應(yīng)按規(guī)定的準(zhǔn)永久值采用，從前后文看，《荷載規(guī)范》只規(guī)定在計(jì)算吊車梁時才考慮自重。從土力學(xué)理論來說，如果在動荷載(如車輛、風(fēng)、地震)作用時，反復(fù)荷載每一次作用的時間短暫，由于土骨架和土粒未被破壞，不發(fā)生不可恢復(fù)的殘余變形，只發(fā)生土骨架的彈性變形，部分土中水排出的壓縮變形、封閉土中氣的壓縮變形，都是可恢復(fù)的彈性變形。因此，對《荷載規(guī)范》可以解讀為計(jì)算地基基礎(chǔ)沉降時，在荷載準(zhǔn)永久組合中可不考慮吊車荷載包括吊車自重，但對于吊車規(guī)定的停車位處的相關(guān)柱下基礎(chǔ)，則應(yīng)考慮吊車自重。

《土規(guī)》中考慮吊車自重，也是基于上述考慮，但如果除了停車位以外的所有柱下基礎(chǔ)均按此考慮，會錯誤地造成基礎(chǔ)偏大甚至出現(xiàn)不必要的地基處理方案，同時也會使指定停車位和非停車位之間的基礎(chǔ)出現(xiàn)不利于結(jié)構(gòu)安全和使用功能的沉降差，而沉降差的控制比沉降量的控制更為重要。以某燃機(jī)電站單層排架汽機(jī)房為例，該工程地基為飽和黏性土，吊車自重作用于柱最大軸壓力為540 kN，在基礎(chǔ)準(zhǔn)永久值組合設(shè)計(jì)荷載中占比約25%，吊車停車位處地基基礎(chǔ)沉降量計(jì)算結(jié)果為182 mm，非停車位如果也按吊車自重計(jì)算則荷載將錯誤地增加36%，會造成基礎(chǔ)尺寸偏大，地基基礎(chǔ)沉降量實(shí)際上只有146 mm，相鄰基礎(chǔ)沉降差可達(dá)36 mm，已大于汽機(jī)房容許沉降差32 mm限值。

美標(biāo)的計(jì)算規(guī)定則是對上述理論結(jié)果的證明，美標(biāo)將吊車作為固定設(shè)備定義為恒載，因此美標(biāo)計(jì)算沉降時并不存在上述問題。但美標(biāo)并未說明類似電廠工作級別為A1-A3輕級工作制吊車的起吊荷載如何考慮，事實(shí)上按照美標(biāo)的體系，工程師對此具有判定權(quán)力。

綜上所述，在國標(biāo)計(jì)算時，建議除了吊車規(guī)定的停車位處相關(guān)柱下基礎(chǔ)應(yīng)考慮吊車自重外，其它柱下基礎(chǔ)均不考慮吊車荷載包括吊車自重。

3.3 關(guān)于雪荷載

《荷載規(guī)范》規(guī)定“準(zhǔn)永久值系數(shù)應(yīng)按雪荷載分區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的不同，分別取0.5、0.2和0”，在美標(biāo)中雪荷載不屬于活載范疇，所以在美標(biāo)地基基礎(chǔ)沉降計(jì)算中不考慮雪荷載。

由于雪荷載在嚴(yán)寒地區(qū)可能在汽機(jī)房屋面停留時間長達(dá)數(shù)月，很容易造成地基不可恢復(fù)的變形，因此國標(biāo)對雪荷載的考慮是正確的，同時也可以看到國標(biāo)也予以辯證處理，對不同地區(qū)的雪荷載作了區(qū)別對待。

建議在美標(biāo)計(jì)算時，應(yīng)考慮項(xiàng)目所在地的具體情況，將雪荷載納入計(jì)算活載中，以使沉降量的計(jì)算值接近實(shí)際沉降值，這在工程實(shí)踐中是被允許的，因?yàn)槊罉?biāo)體系賦予了工程師更大的自由量裁權(quán)。同時，美標(biāo)對沉降量的控制嚴(yán)于國標(biāo)并且經(jīng)常作為項(xiàng)目接收的考核條件之一，實(shí)事求是地考慮雪荷載對沉降量的影響是必要的。

3.4 關(guān)于樓面活載折減系數(shù)

《荷載規(guī)范》在民用建筑章節(jié)有樓面活載折減系數(shù)的規(guī)定，在工業(yè)建筑章節(jié)中未提及如何考慮，《荷載規(guī)程》和《土規(guī)》中對于工藝專業(yè)提供主要設(shè)備和管道荷載時，樓面活載折減系數(shù)按表取用，一般取值為0.6或0.7，但對于工藝專業(yè)提供全部設(shè)備和管道荷載時樓面折減系數(shù)如何取用未明確。

如上所述，當(dāng)工藝專業(yè)提供全部設(shè)備和管道荷載時，樓面活載為2.0 kN/m2包括操作人員、一般工具、零星材料和成品自重，不包括比較大的檢修荷載，此時只能參考《荷載規(guī)范》民用建筑樓面活載折減系數(shù)為0.9。

4 結(jié)論

1)如果采用《荷載規(guī)程》或《土規(guī)》表取用活載值，以火電廠汽機(jī)房為例，不應(yīng)計(jì)入沉降計(jì)算的檢修荷載導(dǎo)致的沉降計(jì)算結(jié)果偏差約為20%。雖然在設(shè)計(jì)過程中特別是在初步設(shè)計(jì)階段，要求工藝專業(yè)提供全部設(shè)備和管道荷載并不現(xiàn)實(shí)，但初步設(shè)計(jì)階段沉降控制對地基基礎(chǔ)方案影響較大，進(jìn)行盡可能詳實(shí)的準(zhǔn)確計(jì)算是必要的，建議在工藝專業(yè)提供主要設(shè)備和管道荷載基礎(chǔ)上，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)對未提供荷載的設(shè)備和管道等固定設(shè)備進(jìn)行估算，保證準(zhǔn)永久值組合結(jié)果的真實(shí)性，從而確定合理正確的地基基礎(chǔ)方案。

2)若所有基礎(chǔ)均考慮吊車自重，則規(guī)定停車位處基礎(chǔ)與相鄰基礎(chǔ)事實(shí)上會出現(xiàn)明顯的不必要的沉降差，甚至可能超過容許沉降差，并且將人為導(dǎo)致地基基礎(chǔ)工程量的增加。建議行業(yè)規(guī)范明確地基基礎(chǔ)沉降計(jì)算時不考慮吊車荷載包括自重，但在規(guī)定的吊車停車位處相關(guān)柱下基礎(chǔ)應(yīng)考慮吊車自重。

3)雖然美標(biāo)未明確地基基礎(chǔ)沉降計(jì)算時是否考慮雪荷載，但在美標(biāo)計(jì)算時，建議考慮項(xiàng)目所在地的具體情況，必要時將雪荷載納入計(jì)算荷載中。

4)建議相關(guān)規(guī)范中明確工藝專業(yè)提供全部設(shè)備和管道荷載時樓面活載折減系數(shù)取用規(guī)定，筆者暫建議參考《荷載規(guī)范》民用建筑活載折減系數(shù)取為0.9。

5)根據(jù)某火電廠汽機(jī)房的計(jì)算結(jié)果，國標(biāo)的準(zhǔn)永久活載設(shè)計(jì)值為美標(biāo)的2倍左右，主要原因是折減系數(shù)的差異。

6)美標(biāo)活載折減系數(shù)的計(jì)算方法值得國標(biāo)借鑒。