YJK 在水利工程泵站上部框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

桂冰登

（江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330200）

1 概述

針對板、梁、柱等桿系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以往的做法是將復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)離散化為單體結(jié)構(gòu)借助理正結(jié)構(gòu)工具箱或其他工具進(jìn)行簡化計算，雖然在一定程度上能滿足設(shè)計規(guī)范要求，但這并不能反映結(jié)構(gòu)的真實受力情況，而且設(shè)計效率低。另一方面，一些計算工具未開放部分參數(shù)的設(shè)置，僅提供一些粗略的計算模型，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，甚至造成安全隱患。近年來，隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，運用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算已成為主流。為適應(yīng)我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐，提高水利工程的設(shè)計效率及設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量，大多數(shù)工程設(shè)計人員基于中國建筑科學(xué)研究院推出的PKPM 和YJK 軟件提出多種改進(jìn)措施。如文獻(xiàn)[1-3]直接將PKPM 軟件運用于水工建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計，然而忽略了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范之間的差異性；文獻(xiàn)[4]分析了周期折減系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)、中梁剛度放大系數(shù)對鋼筋混凝土配配筋率的影響；文獻(xiàn)[5，6]提出在PKPM 中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，給每項荷載乘修正系數(shù)，然后再在配筋面積上乘修正系數(shù)，確保結(jié)構(gòu)的安全裕度；文獻(xiàn)[7]通過修改軟件參數(shù)，經(jīng)多次試算使配筋結(jié)果與常規(guī)計算結(jié)果大致接近，最終選擇一組合適的參數(shù)再進(jìn)行計算；文獻(xiàn)[8]通過對PKPM 進(jìn)行分析，將配筋面積乘系數(shù)作為配筋依據(jù)；文獻(xiàn)[9]運用PKPM、YJK 對框架結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析；文獻(xiàn)[10]基于YJK分析結(jié)構(gòu)計算的參數(shù)設(shè)置，以使結(jié)構(gòu)配筋合理；文獻(xiàn)[11]運用PKPM 與YJK 比較剪力墻沖切承臺計算；文獻(xiàn)[12]分析了梁柱活荷載折減在YJK 和PKPM中的差異。遺憾的是，這些改進(jìn)措施都未能使分析結(jié)果完全滿足水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的要求。為此，基于YJK 軟件，結(jié)合多年以來的使用經(jīng)驗介紹在其水利工程泵站上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置及計算指標(biāo)的分析，并結(jié)合實例驗證其實用性。

2 工程概況

某排澇泵站共布置3 臺機(jī)組，設(shè)計流量11.0 m3/s，單機(jī)設(shè)計流量為3.67 m3/s，設(shè)計揚(yáng)程3.7 m，總裝機(jī)容量1140 kW，為堤后式布置。排澇泵站由進(jìn)水前池、主廠房、副廠房、壓力水箱、箱涵和出口消能段等建筑物組成。

排澇泵站為濕式型，由主廠房和副廠房組成。5.5 m 高程以下為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，5.5 m 高程以上為框架結(jié)構(gòu)。主廠房長（順?biāo)鞣较颍?4.6 m，寬19.1 m，由下而上分別為流道層、水泵層與設(shè)備層。設(shè)備層以中墩與邊墩作支撐。流道層接進(jìn)水池，流道層閘墩長5.0 m，采用一泵一室的布置形式，水泵為立式軸流泵，進(jìn)水池底檻高程為-5.2 m，閘墩頂高程為5.5 m，每室設(shè)一道固定式攔污柵，采用人工方式清污；水泵層長（順?biāo)鞣较颍?.05m，高程為1.3 m，四面為C25 鋼筋混凝土墻，墻頂高4.2 m；共安放3 臺潛水軸流泵，機(jī)組間距為5.7 m，水泵接出水鋼管，鋼管中心線高程3.0 m；設(shè)備層高程7.8 m，泵房段順?biāo)飨蜷L8.65 m，安放電氣設(shè)備，并設(shè)中控室。機(jī)組間距5.7 m，出水鋼管中心高程3.0 m。廠內(nèi)起重設(shè)備采用10 t 懸掛式起重機(jī)，起重機(jī)梁頂高程為12.8 m。

副廠房主要為安裝間和卸柵平臺，位于主泵房左側(cè)，緊靠主泵房，順?biāo)鞣较蜷L23.6 m，寬6.5 m，安裝間底板高程為5.5 m，與室外地面同高。卸柵平臺位于安裝間上游，與主廠房工作橋相連，供攔污柵安裝及清污時使用。副廠房基礎(chǔ)為獨立筏型基礎(chǔ)，基礎(chǔ)面高程為1.80 m。泵房設(shè)備層平面布置及縱斷面分別見圖1 和圖2。

圖1 泵房設(shè)備層平面布置圖（單位：高程m，其余mm）

圖2 泵房縱斷面圖（單位：高程m，其余mm）

3 基礎(chǔ)資料

（1）泵站建筑物級別為3 級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，工程設(shè)計合理使用年限50 年，結(jié)構(gòu)使用年限50年的活荷載調(diào)整系數(shù)1.0。

（2）抗震設(shè)防烈度7 度，設(shè)計基本地震加速度0.1g，設(shè)計地震分組“第二組”，框架結(jié)構(gòu)抗震等級“三級”，特征周期0.4 s，多遇地震、罕遇地震的地震影響系數(shù)最大值分別為0.04、0.28，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。

（3）結(jié)構(gòu)周期折減系數(shù)0.65，梁端負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)0.85，中梁剛度放大系數(shù)2。

（4）鋼筋混凝土容重25 kN/m3，環(huán)境類別“二類”，板保護(hù)層厚度25 mm，梁、柱保護(hù)層厚度35 mm，梁、板、柱箍筋、主筋分別為HPB300、HRB400，梁、板、柱混凝土強(qiáng)度等級C25。

（5）基本風(fēng)壓0.35 kN/m2，地面粗糙度“A 類”，風(fēng)荷載體型系數(shù)為1.3，結(jié)構(gòu)自振周期為0.3。泵房不同部位荷載見表1 和表2。

表1 泵房不同部位的活荷載及附加恒載表

表2 泵房不同部位的活荷載及恒載表

4 計算模型與成果分析

4.1 模型荷載輸入

（1）根據(jù)基礎(chǔ)資料在YJK 中進(jìn)行總參數(shù)設(shè)置，主要為材料屬性、地震參數(shù)、風(fēng)荷載參數(shù)的設(shè)置。

（2）軸網(wǎng)輸入根據(jù)泵房各層平面布置輸入，值得一提的是，坡屋頂?shù)臉?gòu)建需要在軸網(wǎng)輸入時通過上節(jié)點高的方式創(chuàng)建。

（3）構(gòu)件布置在軸網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，初次布置時，梁、柱截面尺寸按照規(guī)范構(gòu)造要求擬定。懸臂板需要借助虛梁完成模型構(gòu)建，此處的虛梁并非結(jié)構(gòu)中真實存在，虛梁無自重、無剛度，不參與結(jié)構(gòu)的整體計算，其截面尺寸為0.1 m×0.1 m。

（4）在荷載輸入對話框中將表1、表2 中不同類型的荷載對應(yīng)加載到相應(yīng)的構(gòu)件上，此處輸入的荷載值均為標(biāo)準(zhǔn)值。

（5）構(gòu)件布置和荷載信息均輸入完成后，即可進(jìn)行樓層組裝，完成荷載的自動傳遞。樓層組成時各標(biāo)準(zhǔn)層的層高為上層頂面與下層頂面的高度。泵房的樓層組裝總圖見圖3。

圖3 泵房樓層組裝圖

4.2 前處理及計算

計算模型中需按照GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求定義特殊柱，如角柱、邊柱等構(gòu)件，確保柱的內(nèi)力及配筋面積滿足規(guī)范要求。

根據(jù)泵站的實際運行情況，結(jié)構(gòu)計算時的荷載組合和工況主要如下：

（1）荷載組合

泵房的結(jié)構(gòu)計算，荷載組合考慮基本組合和偶然組合。基本組合包括恒載+樓面活荷載+其他活荷載+風(fēng)載，偶然組合包括恒載+樓面活荷載+地震荷載。

（2）計算工況

1）基本組合正常運行工況：恒載+附加恒載+樓面活荷載+風(fēng)載；

2）基本組合攔污柵檢修工況：恒載+附加恒載+樓面活荷載+風(fēng)載+電葫蘆運行活荷載；

3）基本組合水泵機(jī)組檢修工況：恒載+附加恒載+樓面活荷載+風(fēng)載+啟閉機(jī)運行活荷載；

4）偶然組合地震工況：恒載+附加恒載+樓面活荷載+風(fēng)載+地震荷載。

根據(jù)泵房計算的荷載組合及運行工況，在YJK計算參數(shù)-荷載組合-組合表對話框中，勾選采用自定義組合，將表3 中荷載分項系數(shù)對應(yīng)輸入到Y(jié)JK 計算參數(shù)-荷載組合-組合表中，即可保證YJK 軟件計算出的內(nèi)力及配筋基本上與SL 191-2008《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相吻合。通過基于殼元理論的三維有限元進(jìn)行泵房各工況下的結(jié)構(gòu)計算。

表3 YJK 自定義組合荷載分項系數(shù)表

4.3 成果分析

根據(jù)泵房各工況下三維有限元計算成果，分析軸壓比、樓層位移比、層間位移角、剛度比、剛重比、層間受剪承載力等指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計算各工況下柱子軸壓比均小于0.9，滿足規(guī)范要求，若軸壓比大于0.9，通常調(diào)整柱子的混凝土強(qiáng)度等級、加大柱子的截面尺寸降低軸壓比，保證結(jié)構(gòu)的延性。泵房結(jié)構(gòu)平面較為規(guī)則，采用剛性樓板假定，計算的最大位移與層平均位移的比值為1.17，小于1.2，滿足規(guī)范要求；若位移比超限，可調(diào)整結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，使剛度均勻。計算最大層間位移角簡圖見圖4。最大層間位移角為1/779 6，小于1/550，滿足規(guī)范要求，若不滿足，可增強(qiáng)豎向構(gòu)件的剛度。

圖4 最大層間位移角簡圖

多方向剛度比簡圖見圖5，各樓層與其相鄰上層的側(cè)向剛度比，本層與相鄰上層的比值均大于0.7，與相鄰上部三層剛度平均值的比值均大于0.8，滿足規(guī)范要求。

圖5 多方向剛度比簡圖

結(jié)構(gòu)的剛重比即結(jié)構(gòu)剛度與重力荷載之比大于10，滿足規(guī)范規(guī)定的整體穩(wěn)定性要求，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑動和傾覆；若不滿足，可調(diào)整結(jié)構(gòu)的高寬比值加大剛重比。多方向抗剪承載力簡圖見圖6，層間受剪承載力大于其相鄰上一層受剪承載力的75%，滿足規(guī)范要求。

圖6 多方向抗剪承載力簡圖

全部計算指標(biāo)均滿足規(guī)范要求后，選取泵房各部位在最不利工況下的最大配筋面積作為配筋依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)在各工況下能安全運行。根據(jù)最不利工況下的配筋成果，運用YJK 軟件按平法整體制圖規(guī)則自動出圖并統(tǒng)計混凝土及鋼筋的工程量，同時生成各工況下的結(jié)構(gòu)計算書，泵房7.8 m 高程梁板平法圖見圖7、圖8 所示。按YJK 軟件結(jié)構(gòu)計算的配筋成果實施后，泵房運行情況良好，完工后的效果圖見圖9。

圖7 泵房7.8 m 高程板平法圖

圖8 泵房7.8 m 高程梁平法圖

圖9 泵房實施后的效果圖

5 結(jié)語

文中結(jié)合YJK 軟件分析其在水利工程泵房上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實用性，通過建立泵房空間三維有限元模型，在YJK 軟件中計算參數(shù)-荷載組合-組合表中設(shè)置荷載分項系數(shù)，使YJK 能準(zhǔn)確合理地分析水利工程泵房上部結(jié)構(gòu)的受力特性，使計算結(jié)果與水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范一致。雖然YJK 軟件主要用于工業(yè)與民用建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)分析，但是經(jīng)過不同行業(yè)規(guī)范之間的對比分析，采取一定的改進(jìn)措施后，完全能使YJK 準(zhǔn)確合理地運用于水利工程框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻等結(jié)構(gòu)的受力分析。這將使水利工程設(shè)計人員從繁瑣低效的工作中徹底解放出來，應(yīng)用YJK 軟件準(zhǔn)確快速地分析桿系結(jié)構(gòu)，避免設(shè)計人員盲目使用分析軟件，忽略軟件中某系細(xì)節(jié)參數(shù)的設(shè)置，對提高設(shè)計效率和設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。