排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計中風荷載的計算

戴海旭

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

尾礦庫設(shè)置排水系統(tǒng)，可以及時排除庫內(nèi)降雨形成的洪水，以確保尾礦庫的安全，因此排水系統(tǒng)對尾礦庫的安全起著至關(guān)重要的作用。較為常見的排水系統(tǒng)是“井- 管”式排水系統(tǒng)，而排水井是“井- 管”式排水系統(tǒng)的重要組成部分，因此需要合理地計算和設(shè)計排水井。通過洪水計算、調(diào)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(jié)構(gòu)設(shè)計。排水井屬于高聳結(jié)構(gòu)，在運行前期，風荷載對排水井影響最大，因此在排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計中如何計算確定好風荷載至關(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)，本文所述內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計之前，需先通過尾礦庫的洪水計算及調(diào)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(nèi)徑D1、井座內(nèi)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(jié)合這些基本尺寸，對排水井進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其兼具功能性、安全性與經(jīng)濟性。

圖2 排水井基本尺寸

2 排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計基本理念

排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對于不同的設(shè)計工況，當用內(nèi)力的形式表達時，排水井結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用下列承載能力極限狀態(tài)設(shè)計表達式[1]。

γ0S≤R

(1)

式中γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

S—承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)設(shè)計值；

R—結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計值。

不論排水井整體結(jié)構(gòu)還是局部構(gòu)件，都可通過公式(1)所表示的承載能力極限狀態(tài)計算法進行設(shè)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(jié)構(gòu)或構(gòu)件所產(chǎn)生的拉、壓、彎、剪、扭等作用效應(yīng)的設(shè)計值，而R為排水井結(jié)構(gòu)或構(gòu)件自身所具有的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗扭等抗力設(shè)計值。排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的，即為在保證排水井抗力設(shè)計值能滿足各種最不利工況荷載作用效應(yīng)設(shè)計值的前提下，使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理。以上為排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理念，這個理念將貫穿整個排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計的始終。

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0依據(jù)設(shè)計使用年限進行劃分，見表1[2]。

表1 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)劃分表

對于常見的排水井，設(shè)計使用年限一般在5～50年之間，所以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.0即可。

排水井的抗力設(shè)計值R與混凝土結(jié)構(gòu)的配筋形式關(guān)系密切，不在本文討論范圍內(nèi)，本文重點討論計算排水井所受風荷載效應(yīng)設(shè)計值S的計算。

3 排水井受荷分析

排水井屬于高聳結(jié)構(gòu)，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(shè)防烈度大于6度時)。排水井不同運行時期、不同工況下，設(shè)計計算的對象不同，荷載效應(yīng)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(yīng)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(chǎn)使用，對于場地設(shè)防烈度不大于6度的地區(qū)，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(yīng)設(shè)計值S應(yīng)按公式(2)確定：

S=γQSk

(2)

式中S—承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)設(shè)計值；

Sk—承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)標準值；

γQ—風荷載的分項系數(shù)，取1.4。

對于排水井結(jié)構(gòu)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(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]及《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[3]，垂直于排水井表面上的風荷載標準值，應(yīng)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(shù)；

μs—風荷載體型系數(shù)；

μz—風壓高度變化系數(shù)；

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(shù)值：βz、μs、μz、ω0，其中，基本風壓ω0根據(jù)規(guī)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(shù)μz根據(jù)排水井所在地區(qū)的地面粗糙度結(jié)合排水井的高度也可得出，同時根據(jù)排水井所處山峰或山谷的不同位置需乘以相應(yīng)的系數(shù)，這在規(guī)范中都有明確的說明。而風振系數(shù)βz和風荷載體型系數(shù)μs需經(jīng)過演算推導(dǎo)才可得出，這也是計算排水井風荷載的關(guān)鍵所在，下面分別就這兩個系數(shù)的演算推導(dǎo)進行論述。

4.1 風振系數(shù)βz

對于高度大于30 m且高寬比大于1.5的結(jié)構(gòu)，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各種高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風壓脈動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風向風振的影響，否則風振系數(shù)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(jù)常規(guī)公式進行演算推導(dǎo)，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄F：

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

T1=(0.007～0.013)H

(F.1.1)

式中H—結(jié)構(gòu)的高度，m。

F.1.2 煙囪和塔架等具體結(jié)構(gòu)的基本自振周期可按下列規(guī)定采用：

煙囪的基本自振周期可按下列規(guī)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(jié)構(gòu)，根據(jù)公式(F.1.1)，應(yīng)取較小值，而排水井并非封閉結(jié)構(gòu)，相對一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，排水井結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的取值。同理，根據(jù)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(jù)以上公式結(jié)合實際情況得出基本自振周期T1后，即可根據(jù)規(guī)范中的相關(guān)公式求出風振系數(shù)βz。

4.2 風荷載體型系數(shù)μs

排水井不是封閉結(jié)構(gòu)，與煙囪及高層建筑等高聳結(jié)構(gòu)在受力上并不完全等同，且排水井結(jié)構(gòu)通常只用于尾礦庫的排洪，使用范圍較小，所以兩本規(guī)范中均沒有針對性的風荷載體型系數(shù)μs值，需要根據(jù)相似情況進行合理推導(dǎo)。《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定了懸臂結(jié)構(gòu)整體計算時體型系數(shù)的取值，見表2。

表2 風荷載體型系數(shù)μs

排水井是圓形結(jié)構(gòu)，但因其不是封閉結(jié)構(gòu)，故不能簡單套用規(guī)范中圓形結(jié)構(gòu)的系數(shù)取值。排水井井身有較多泄水孔洞，根據(jù)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(tài)變差，可能會對排水井的受力產(chǎn)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(jié)語

綜上所述，已確定計算風荷載標準值所需的各個參數(shù)值，根據(jù)公式可得出風荷載標準值ωk，結(jié)合前面章節(jié)內(nèi)容即可求出風荷載對排水井作用的效應(yīng)設(shè)計值，進而可對排水井結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)計算和設(shè)計中已成功運用，所設(shè)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(shè)計參考與借鑒。