大型全地下式取水泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵問題分析

崔龍飛 許大鵬

(1.上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司 200092； 2.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團）有限公司 200092）

引言

為了減小對自然環(huán)境的影響， 越來越多的取水泵房采用了全地下式結(jié)構(gòu)， 頂板設(shè)置一定厚度覆土用于種植綠化， 地面僅設(shè)置小型人員出入口。 全地下式泵房相比傳統(tǒng)半地下式泵房或其他地下建(構(gòu)）筑物存在地下層高大、 跨度大、 受力復(fù)雜等特點， 全地下式泵房的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及計算方式的選擇對工程造價有更大的影響， 目前還沒有形成統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范或標準， 應(yīng)采用新技術(shù)手段， 以安全、 經(jīng)濟、 合理為原則， 開展結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 工程概況

南京市某大型長江取水工程， 取水規(guī)模為1680000m3/天， 采用河床式取水， 江堤背水側(cè)建造取水泵房， 通過2 根DN3000 自流式取水管深入江中取水。 取水泵房采用全地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 混凝土等級C35， 抗?jié)B等級P8， 平面尺寸約85m×40m， 底板底標高-9.0m， 室外設(shè)計高程9.5m， 結(jié)構(gòu)埋深達18.5m， 頂板面標高8.0m，覆土1.5m。 取水泵房包括三部分: 吸水室、 水泵房、 配電間， 如圖1 所示。 北半部分為水泵房， 單層結(jié)構(gòu)， 南半部分為雙層結(jié)構(gòu)， 下層為吸水室， 上層為配電間， 外壁板厚度1.0m ～1.5m，底板厚度1.5m。 泵房基底位于②2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，fak=60kPa， 承載力較低， 不宜直接采用本層土作為基礎(chǔ)持力層， 另外由于泵房內(nèi)部較空曠， 結(jié)構(gòu)自重無法滿足高水位時的抗浮要求， 經(jīng)過綜合考慮， 采用D800 灌注樁基礎(chǔ)， 兼具抗壓和抗浮作用， 樁長40m， 3m×3m 滿堂布置。

圖1 取水泵房Fig.1 The intake pump room

2 三維計算模型的建立

全地下式取水泵房結(jié)構(gòu)布置及受力復(fù)雜， 采用YJK 結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析軟件進行了三維有限元整體建模計算， 樓板、 壁板、 底板采用殼單元， 扶壁柱采用實體單元， 其余框架梁、 柱采用梁單元， 樁基礎(chǔ)采用桿單元并賦予彈性剛度， 混凝土等級為C35， 采用線彈性本構(gòu)模型， 彈性模量Ec=3.15 × 104MPa， 網(wǎng)格劃分最大尺寸 0.4m， 計算模型如圖2 所示。

圖2 取水泵房計算模型Fig.2 Calculation model of the intake pump room

泵房所承受的荷載主要包括自重、 覆土荷載、 外土荷載、 外水荷載、 內(nèi)水荷載， 具體工況組合見表1。

表1 荷載工況組合Tab.1 Load condition combination

3 大跨度泵房頂板計算分析

水泵房部分由于需滿足泵機的吊裝及操作空間要求， 跨度約21m， 且為滿足地面綠化要求， 頂板上覆土厚度1.5m， 荷載較大。 從結(jié)構(gòu)受力變形、 經(jīng)濟性、 耐久性和施工便利性等方面， 綜合比較了單向密肋梁、 預(yù)應(yīng)力混凝土梁、鋼桁架梁等多種結(jié)構(gòu)方案的適用性， 從實施難度、 耐久性、 造價等多方面綜合考慮， 確定采用單向密肋梁方案， 頂梁尺寸600mm ×1600mm，間距3m， 頂板厚300mm， 計算結(jié)果如圖3、 圖4所示。

圖3 泵房部分頂板彎矩(單位： kN·m)Fig.3 Bending moment of roof(unit: kN·m）

圖4 泵房部分頂梁彎矩(單位： kN·m)Fig.4 Bending moment of roof beam(unit: kN·m）

該方案可有效降低每根頂梁分擔的荷載， 即使在較大覆土荷載下， 梁高也可以控制在合理的范圍。 另外， 從上述結(jié)果中可以看出， 頂板及頂板梁在與兩端壁板交接處會產(chǎn)生較大的彎矩， 引起應(yīng)力集中， 容易出現(xiàn)局部破壞， 應(yīng)采取一定的加強措施， 本工程在壁板頂部設(shè)置邊框梁， 邊框梁抗扭線剛度可取次梁抗彎線剛度的5 倍以上，以保證其對頂板梁的梁端約束作用， 并根據(jù)計算結(jié)果配置抗扭鋼筋。

4 外壁板計算方法和結(jié)果分析

針對典型北側(cè)水泵房外壁板分別采用傳統(tǒng)算法和三維有限元算法進行對比分析， 該壁板厚度1m， 高度15.5m， 壁柱尺寸1m ×2m， 間距6m。

4.1 傳統(tǒng)算法

根據(jù)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》[1]將壁柱作為壁板的支撐邊界， 壁板按照三邊固定、頂邊簡支的方式進行計算， 壁柱承受壁板傳遞的荷載， 并按照T 形截面進行配筋計算， 在外水土工況下， 壁板、 壁柱計算簡圖及彎矩標準值如圖5 所示。

圖5 計算簡圖及結(jié)果Fig.5 Calculate schematic and result

從圖5 中可以看出， 由于壁板荷載主要由壁柱承擔， 壁板配筋較小， 但壁柱底部彎矩達到20187kN·m， 配筋量非常大。

4.2 三維有限元算法

在上述的三維有限元模型中輸入相同外水土荷載進行整體計算， 考慮壁柱與壁板協(xié)調(diào)變形、受力， 兩者根據(jù)各自實際剛度承擔外水土荷載，計算結(jié)果如圖6、 圖7 所示。

圖6 壁板彎矩(單位： kN·m)Fig.6 Horizontal bending moment of wall(unit: kN·m）

圖7 壁柱彎矩(單位： kN·m)Fig.7 Bending moment of pilaster(unit: kN·m）

4.3 結(jié)果對比

將傳統(tǒng)算法結(jié)果與三維有限元算法結(jié)果進行對比， 具體見表2。

表2 計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison table of calculation results

根據(jù)三維變形云圖可知， 由于此類全地下泵房一般層高較大， 壁柱剛度與壁板平面外剛度相差不大， 壁柱無法作為壁板的支承[2]， 導致傳統(tǒng)算法結(jié)果與三維計算結(jié)果有一定的差別， 尤其是傳統(tǒng)算法的壁板豎向底部彎矩和豎向跨中彎矩偏小、 壁柱底部彎矩偏大， 設(shè)計過程中應(yīng)以三維計算結(jié)果為主。

5 底板計算方法和結(jié)果分析

由于樁基對底板存在一定的約束作用， 為具體分析這種約束作用的大小， 本文將前述帶樁基模型與無樁基模型的計算結(jié)果進行了對比分析，無樁基模型取消了樁基桿單元， 增設(shè)底板彈簧單元， 基床系數(shù)取20000kN/m3。

帶樁基模型中樁基豎向剛度的取值對計算結(jié)果有一定影響， 該參數(shù)的取值可根據(jù)《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50040 -96）[3]， 按照樁周土體及樁尖土的性質(zhì)進行估算:

樁基抗壓剛度可近似按:

樁基抗拔剛度可近似按下式:

式中:Cτhi、Czh分別為樁周土當量抗剪剛度系數(shù)、 樁尖土層當量抗壓剛度系數(shù)(kN/m3）， 取值可參照《動力機器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》查表確定；Aτhi為各層土中樁周表面積(m2）；Ap為樁的截面積(m2）。

按照上述公式計算， 取樁基豎向抗壓剛度K=500000kN/m， 抗拔剛度K=400000kN/m。

由于支承條件不同， 考慮樁基作用與不考慮樁基作用時的基底作用分布趨勢有一定差別， 恒載+ 內(nèi)滿水荷載下底板反力和樁基反力分布如圖 8、 圖 9 所示。

圖8 不考慮樁基作用的底板反力(單位： kPa)Fig.8 Pressure of bottom plate without considering pile foundation action(unit: kPa）

圖9 考慮樁基作用的樁反力(單位： kN)Fig.9 Force of pile considering pile foundation action(unit: kN）

不考慮樁基作用時北側(cè)泵房外壁板處基底最大反力247kPa， 跨中處反力約90kPa， 南側(cè)吸水室壁板下最大底板反力280kPa； 考慮樁基作用時北側(cè)泵房外壁板處樁反力約2400kN， 則對應(yīng)底板反力約為 2400/32=266kPa ＞247kPa， 跨中處樁反力約400kN， 對應(yīng)底板反力約為400/32=45kPa ＜90kPa， 南側(cè)吸水室壁板下樁反力約3000kN， 對應(yīng)底板反力約 3000/32= 330kPa ＞280kPa。 由上分析可知， 如忽略了樁基作用， 將導致底板在壁板周邊范圍的地基作用偏小， 而跨中部位地基作用偏大。

上述兩種情況下底板主要受力方向彎矩云圖如圖10 所示。

不考慮樁基作用時， 底板支座處最大彎矩為-4209kN·m， 考慮樁基作用時為-3273kN·m，差值約22%； 不考慮樁基作用時， 底板跨中處最大彎矩為1681kN·m， 考慮樁基作用時為1011kN·m，差值約39%。 另外， 經(jīng)過多次計算， 隨著樁基剛度的降低， 底板內(nèi)力會有所一定幅度的增大， 為預(yù)留一定的安全余度， 將樁基剛度在前述計算結(jié)果基礎(chǔ)上考慮0.8 的折減系數(shù)， 按此計算結(jié)果進行底板配筋設(shè)計， 目前主體結(jié)構(gòu)已施工完成， 效果良好。

圖10 Y 方向底板彎矩(單位： kN·m)Fig.10 Bending moment(Y direction） of bottom plate(unit: kN·m）

6 結(jié)論

通過本文對全地下式泵房相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的分析、 總結(jié)， 主要得出以下結(jié)論:

1.對于大跨度泵房頂板， 采用單向密肋梁方案是合適的， 同時應(yīng)注意對梁端部采取加強措施。

2.對于外壁板， 建議考慮壁柱與壁板的協(xié)調(diào)受力， 提取出構(gòu)件的真實內(nèi)力用于配筋設(shè)計， 保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全。

3.對于底板， 建議考慮樁基與底板的協(xié)調(diào)受力， 可顯著降低底板的內(nèi)力， 其中樁基豎向剛度可按本文提出的方法得出， 并根據(jù)經(jīng)驗進行適度折減， 保證結(jié)構(gòu)安全。