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        基于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的二次循環(huán)水泵房地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

        2018-02-21 13:21:22韓啟超侯春陽(yáng)
        吉林電力 2018年6期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        韓啟超,于 穎,姜 雪,侯春陽(yáng)

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

        隨著我國(guó)電力設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提高,國(guó)內(nèi)各電力設(shè)計(jì)院開(kāi)始拓展海外工程市場(chǎng),并逐漸開(kāi)始承擔(dān)一些國(guó)際電力工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)咨詢(xún)工作。與國(guó)內(nèi)工程相比,國(guó)際項(xiàng)目一個(gè)突出的特點(diǎn)是業(yè)主要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)美標(biāo))。由于我國(guó)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(huì)直接導(dǎo)致在設(shè)計(jì)競(jìng)標(biāo)中失敗或在設(shè)計(jì)過(guò)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(chǎng)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(kāi)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(tái)冷卻水泵,以滿(mǎn)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(wú)法滿(mǎn)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(guò)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(duì)泵的支撐作用,改變以往直接施加均布荷載模擬水泵對(duì)基礎(chǔ)作用的方式,通過(guò)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(dòng)載)分別加于不同的質(zhì)心點(diǎn)位置,并通過(guò)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?jiǎn)卧叽缂鞍鍐卧穸取A撼叽缂鞍搴窨筛鶕?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(jiàn)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。對(duì)荷載組合規(guī)定的不同,是中美規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)要求的主要區(qū)別,且對(duì)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(duì)比,BCP-2007對(duì)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(mén)、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(shí)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(duì)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(shí)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(chǎng)地類(lèi)別為2A,場(chǎng)地系數(shù)Z=0.15,土壤剖面類(lèi)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(shí),還應(yīng)依據(jù)ACI 350-2006[9]對(duì)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(duì)比見(jiàn)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(lái)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(chē)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(duì)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(guò)對(duì)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(jiàn)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(duì)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(duì)筏板基礎(chǔ)零壓力區(qū)限值并沒(méi)有明確規(guī)定,本工程均按不超過(guò)20%控制。最小地基反力工況下地基反力云圖見(jiàn)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?jiǎn)卧膬?nèi)力,因此梁、柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)可通過(guò)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(shí),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(gè)流道底板配筋計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(yǔ)

        以STAAD.PRO為基本設(shè)計(jì)平臺(tái),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。基于美標(biāo)的二次循環(huán)水泵房地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程,需重點(diǎn)解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

        a. 選擇合理的設(shè)計(jì)工具。STAAD.PRO基于美標(biāo)開(kāi)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?jiǎn)卧紫冉⒛P洼喞?,很好地解決了模型空間復(fù)雜、建模易出錯(cuò)的問(wèn)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。

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