地下转运站局部抗浮设计的有限元变形分析

石汉伟

0 引言

地下转运站是火力发电厂的一个重要构筑物。印度某工程地下水埋藏较浅，厂区常年最高水位可达地表，抗浮是地下转运站设计的主要因素之一。工程中常用的抗浮方式有:自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮及锚固抗浮。由于受当地施工条件的影响嵌固抗浮和锚固抗浮没办法实现;由于地下转运站顶部(地面上)要走火车，转运站内部为工艺运行所要求的空间，因此可以通过外伸底板，在外伸底板上增加配重土体来满足转运站整体抗浮的要求，但转运站底板上支柱的局部抗浮只能通过增加自重来实现，通过计算要满足局部抗浮，需要的底板厚度为7 m，这对工程的投资及地基岩石的爆破量投资是巨大的。

经过分析考虑用厚底板的微变形来抵抗局部浮力作用，在外伸底板上增加配重土体来满足转运站整体抗浮的要求。由于局部浮力的作用，底板上支柱会上抬，此时与支柱相连的框架梁都会产生变形，如果变形过大会导致梁柱的内力重新分配，会产生不可预测的后果。

由于单独计算底板在浮力和自重作用下的变形，此变形较大，没办法考虑侧壁刚度和底板上支柱对底板变形的贡献，也无法计算底板上支柱在底板最大变形时的偏转角度。本文结合印度某工程实例，采用通用有限元软件STAADPRO对地下转运站在浮力作用下的变形进行了精确分析计算。

1 工程实例简介

印度某燃煤发电厂，采用地下双层转运站。地下1层层高6950 mm，侧壁之间净空尺寸13200 mm×17200 mm，侧壁厚1200 mm，顶板位于地面下2250 mm，顶面为梁板结构，板厚250 mm;地下2层层高9000 mm，底板厚2000 mm，侧壁之间净空尺寸13200 mm×17200 mm，侧壁厚1200 mm，地下1层～2层之间为梁板式结构，板厚150 mm。在底板上立有三根柱子用来支撑1层和2层传来的荷载，柱子截面大小为800 mm×800 mm，700 mm×900 mm，800 mm×800 mm，见图1～图3。

图1 地下转运站整体布置图

图2 地下转运站底板柱布置图

图3 地下转运站剖面图

图4 底板变形图

V砂岩:中等风化～微风化，结构完好，少量风化裂隙发育，岩芯呈长柱状，岩芯采取率为51%～100%，RQD为0%～100%，声脆，不易击碎。地基承载力特征值为800 kPa。钻孔内揭露地下水水位埋深0.00 m～3.15 m，厂区常年最高水位可达地表。

2 结构的整体抗浮分析计算

2.1 抗浮验算的表达式

对于地下建(构)筑物，《建筑地基基础设计规范》第3.0.2条规定，当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。《建筑结构荷载规范》采用了荷载效应与抗力的关系表达式，《给水排水工程构筑物结构设计规范》和《给水排水工程管道结构设计规范》提出抗浮稳定性系数和稳定性抗力系数，系数取值1.05～1.10。文献[7]20.1 条规定抗浮稳定性系数为1.2(印度规范)。现行规范没有明确规定，各规范表达不一。结合印度现行规范的要求采取如下的计算公式和相应的系数。标准组合:DL+F土压力+F浮力。整体抗浮验算组合:0.9DL+1.2F浮力。

2.2 整体抗浮的计算结果

底板厚2.0 m，侧壁厚1.2 m。

侧壁、顶板、顶板梁、中间板、中间梁、柱自重:39451 kN。

顶板覆土重:

2.250×15.6×19.6×8=5503.68 kN。

底板顶钢筋混凝土垫层厚400 mm:

0.4 (14.4－1.2)×(18.4－1.2)×25=2270.4 kN。

底板重:2×17.6×21.6×25=19008 kN。

挑板覆土重:

整体抗浮满足要求。

3 柱的局部抗浮计算

顶板覆土重:2.250×7.2×4.775×8=618.84 kN。

底板顶素混凝土垫层厚400 mm:

0.4×7.2×4.775×25=343.8 kN。

底板厚2.0 m:

2×7.2×4.775×25=1719 kN。

支柱传来的顶板和中间板的自重:1613 kN。

合计:

618.84 +343.8+1719+1613=4294.64 kN。

浮力:

(2+0.4+9+6.95)×7.2×4.775×10=6308.73 kN。

经计算当底板的厚度为2 m时，靠自重不能满足局部抗浮要求。

底板厚取8.5 m:

经计算当底板的厚度取为8.5 m时，靠自重仍然不能满足局部抗浮要求。但显然这样的抗浮方法是不可取的，非常的不经济。经过分析希望能通过底板的刚度来抵抗一部分浮力，而且不至于导致底板和与底板接触处柱子的变形过大。

4 有限元模型的建立

4.1 单元的选择

侧壁、底板、顶板及中间板采用壳单元;柱及梁采用梁单元模型。

4.2 材料参数

地下转运站采用C30防水混凝土，弹性模量为3.0×104N/mm2，泊松比为0.2，混凝土轴心抗压强度设计值为14.3 N/mm2，材料密度为2500 kg/m3。

4.3 边界条件

底板下采用只压弹簧，根据地质报告和JCCAD(PK＆PM的技术条件书)的推荐值采用1.0×106kN/m3。

4.4 添加荷载

按照工艺资料荷载和DL 5022-93火力发电厂土建结构设计技术规定的有关规定进行荷载计算。

5 变形计算结果

通过上述有限元模型的计算分析得到以下主要结果(见图4):地下转运站在地下水浮力作用下的最大位移在1293点为0.711 mm，三根柱(498，499，500)位置处底板在水浮力作用下向上的位移值为0.269 mm，0.305 mm，0.148 mm。此结果表明由于厚底板的刚度很大，局部上浮力对柱子的位移影响很小;此微小变形对与柱子相连的中间层及顶层的梁板造成的影响可以忽略不计。

6 结语

1)有限单元法是解决地下转运站变形计算的有效方法，能够得到精确可信的结果。

2)在整体抗浮满足规范要求的前提下，可以通过厚底板的刚度来使局部抗浮满足规范要求。

3)通过厚底板的刚度来抵抗局部抗浮相对于只是依靠增加底板重来抵抗局部抗浮是很经济的。

[1]GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].

[2]GB 50009-2001，建筑结构荷载规范(2006年版)[S].

[3]GB 50069-2002，给水排水工程构筑物结构设计规范[S].

[4]GB 50332-2002，给水排水工程管道结构设计规范[S].

[5]袁正如.地下工程抗浮设计中的几个问题[J].地下空间与工程学报，2007，3(3):6.

[6]《给排水工程结构设计手册》编委会.给排水工程结构设计手册[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社，2007.

[7]PLAIN AND REINFORCED CONCRETE CODE OF PRACTICE(Fourth Revision)IS 456:2000(Indian Standard).

[8]DL 5022-93，火力发电厂土建结构设计技术规定[S].

[9][美]威尔逊.结构静力与动力分析——强调地震工程学的物理方法[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社，2006.