基于欧洲规范的风荷载及爆炸荷载计算方法在苏布雷水电站主变防爆墙设计中的应用

2016-08-07王树平，董官炯

四川水力发电 2016年5期

关键词：布雷主变计算方法

王树平，董官炯

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

基于欧洲规范的风荷载及爆炸荷载计算方法在苏布雷水电站主变防爆墙设计中的应用

王树平，董官炯

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

介绍了欧洲规范中关于风荷载和爆炸荷载的计算方法, 对计算中需要用到的参数分别进行了说明，结合苏布雷水电站主变防爆墙设计，对风荷载和爆炸荷载的计算应用进行了分析。

主变防爆墙；风荷载；爆炸荷载；地面粗糙度；内部爆炸；苏布雷水电站；设计

1 概述

苏布雷水电站位于科特迪瓦西南部萨桑德拉河中下游河段纳瓦(Nawa)瀑布附近。电站厂房型式为地面厂房，厂内安装3台混流式机组，单机容量90 MW，总装机容量270 MW。主变压器安装在室外厂房尾水平台上，每台主变的左、右两侧分别设置钢筋混凝土防爆墙，防爆墙高7.3 m，厚度为30 cm。防爆墙联合主机间下游边墙形成半包围结构，用于防护主变压器可能产生的爆炸荷载。每台主变防爆墙布置情况见图1。

图1 主变防爆墙布置图

根据合同要求，苏布雷水电站技施设计采用欧美标准。设计人员结合实际情况，在结构设计中普遍采用欧洲标准。主变防爆墙主要承受的外荷载是风荷载及可能的变压器爆炸荷载。欧洲规范对于风荷载的计算方法不同，计算结果亦相差较大。目前国内规范中关于变压器爆炸压力并没有专门的计算公式，因此很难对爆炸荷载定性定量地加以分析。而欧洲荷载规范中对风荷载及爆炸荷载的计算均有相关要求。笔者结合苏布雷水电站主变防爆墙设计采用欧洲规范对风荷载和爆炸荷载的计算及应用情况进行了分析。

2 欧洲规范中风荷载的计算方法

欧洲规范《结构上的作用——第1～4部分：风荷载》(EN1991-1-4：2005)[1]规定了风荷载的计算方法，适用于计算高度200 m以内的建筑和结构工程，但不包括风的局部热效应、扭转振动、横向湍流风的振动和多于一种振型的振动，对于格构塔和中间有孔洞的高层建筑等也未作规定。

在该规范中，确定风荷载作用的大小有两种方法：一是使用形状系数的力系数法；二是通过外表面压(吸)力、内表面压(吸)力和风摩擦力三部分求和的求和法。对于一般建筑物而言，通常采用求和法。

力系数法中计算风压力FW的公式为：

FW=cscdcfqp(z)Aref

式中cs、cd为结构系数；cf为力系数；Aref为计算面积；z为计算高度(结构地表面以上的最大高度)；qp(z)为计算高度z处的动压力峰值。

求和法为外部压力Fw, e、内部压力Fw, i和由风引起的摩擦力Ffr矢量求和确定。对于求和法，当平行于风向的结构表面面积大于或等于垂直于风向的结构表面面积的4倍及以上时方考虑风摩擦力的影响；在外围护构件多孔的情况下才考虑内表面风压。求和法的计算公式为：

Ffr=cfrqp(z)Afr

其中，基本风压力的计算公式如下：

we=qp(z)cpe

wi=qp(z)cpi

qp(z)=qb[cr(z)]2[c0(z)]2ce(z)

式中 we为外部风压； wi为内部风压；qb为基本风压；cr(z)为底面粗糙度系数；c0(z)为地形系数；ce(z)为暴露系数；z为计算高度；cpe、cpi分别为外压力系数、内压力系数；vb为基本风速；ρ为空气密度，取1.25kg/m3；z0为粗糙高度。

对于地面粗糙度，欧洲规范规定建筑物所在地平均风速的地面粗糙度系数cr(z)控制因素为离地面高度以及在顺风方向上建筑物前方的地面粗糙度。确定高度z处地面粗糙度系数cr(z)的方法在欧洲规范中建议的计算公式如下：

式中 kr为场地系数；zmin为最小高度；zmax为最大高度；z0,Ⅱ为Ⅱ类场地的粗糙高度。

地面粗糙度用粗糙高度z0描述，表示地面上平均风速为0的高度，EN1991-1-4将场地情况分为5类(表1)，表1也给出了不同场地类别的z0和zmin。

表1 场地类别表

上述两种方法的计算公式在形式上有相似之处，同样都是用结构系数来反映结构在风作用下的动力特性，适用于不同的建筑结构形式。结构系数cs、cd是两个重要的参数，反映了建筑物上风压峰值出现的时间(cs)与紊流引起的结构振动(cd)的不同步，通过规范附录中的方法可以确定。

3 欧洲规范中爆炸荷载的计算方法

欧洲规范中对于建筑结构最为常见的偶然作用有车辆撞击和内部爆炸，欧洲规范《结构上的作用——第1-7部分：一般作用——偶然作用》(EN1991-1-7：2006)[2]给出了这些作用的计算方法。

内部爆炸定义为空气中粉尘、气体或蒸汽的快速化学反应，反应导致了高温与超高压，爆炸压力以压力波形式向外传播，遇到障碍时则产生作用力。内部爆炸产生的压力主要取决于粉尘、气体或蒸汽的类型，空气中粉尘、气体或蒸汽的百分比，粉尘、气体或蒸汽、空气混合物的均匀性，火源、封闭区内是否有障碍物，发生爆炸封闭区的大小、形状和强度以及所具有的排气量或压力释放量。欧洲规范EN1991-1-7分别提供了室内粉尘和天然气爆炸压力的计算方法。

对于使用天然气的建筑物，爆炸产生的名义等效静压力取下面两式中的较大值：

式中 pd为爆炸压力；pstat为使通风部分破坏的均匀分布静压力；Av为通风部分的面积；V为围合体的体积。

4 苏布雷水电站主变防爆墙计算

苏布雷水电站主变防爆墙设计采用欧洲规范，结构所受的外荷载主要有风荷载、主变爆炸荷载以及地震荷载。该电站地震烈度为6°，水平地震加速度为0.04 g，地震荷载非常小，笔者不作详细描述，仅对风荷载和爆炸荷载根据欧洲规范的计算方法进行分析。

4.1 荷载及内力计算

(1)风荷载。

该电站基本风速为25 m/s，属于Ⅱ类场地。取zo=0.05 m，zmin=2 m。计算高度取主变防爆墙高度z=7.3 m，基本风速取vb=25 m/s，风压力计算见表2。

表2 苏布雷水电站主变防爆墙风荷载计算结果

注：表中kI为湍流系数。

风荷载作用面积A>10 m2，故取外压力系数cpe=cpe,10=0.8，内压力系数cpi=0.3，则防爆墙承受风压力特征值为w=0.55×0.8+0.55×0.3=0.61(kN/m2)。

(2)爆炸荷载。

对于主变压器可能发生的爆炸荷载对防爆墙产生的压力，选取欧洲规范中比较类似的天然气爆炸计算方法。

根据主变防爆墙布置，矩形围合体的体积V=14.53×9.6×7.3= 1 018.26(m3)。由于围合体顶部和下游侧没有墙体遮挡，故pstat=0，通风部分的面积为AV=14.53×7.3+14.53×9.6=245.56(m2)，则爆炸压力pd=3+0+0.04÷(245.56÷ 1 018.26)2=3.69(kN/m2)。

4.2 计算结果

在最不利工况下(风压力+爆炸压力)，主变防爆墙结构计算结果见表3。