基于美国标准的二次循环水泵房地下结构设计分析

韩启超，于 颖，姜 雪，侯春阳

(1. 中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021；2. 吉林省建研建筑设计有限公司，长春 130012)

随着我国电力设计技术水平的提高，国内各电力设计院开始拓展海外工程市场，并逐渐开始承担一些国际电力工程项目的设计咨询工作。与国内工程相比，国际项目一个突出的特点是业主要求在设计过程中采用美国标准(以下简称美标)。由于我国土建设计标准与美标存在较大差异，如果不具备采用美标设计的能力，会直接导致在设计竞标中失败或在设计过程中举步维艰，因此，能否熟练采用美标进行电力工程设计，成为决定海外市场拓展成果的关键因素。

二次循环水泵房是保证电厂热平衡的重要组成部分，其地下结构设计与地上结构部分相比，更具有体量大、工作环境复杂、结构分析困难等特点[1-2]。开展基于美标的二次循环水泵房地下结构设计研究工作，极具理论和现实意义。

1 工程概况

巴基斯坦某9H燃机项目(1 180 MW)采用2+2+1的联合循环电厂配置，设置直流冷却水和循环冷却水双系统。在考虑冗余因素并符合n+1原则的基础上，双系统各设置2+1台冷却水泵，以满足机组用水需求。其中，直流冷却水泵房由33.5 m×15 m的地上泵房及29 m×19.5 m的流道组成，流道底板顶标高-11.1 m。

由于业主要求完全采用美标设计，传统的泵房设计方法已无法满足要求。实例泵房结构设计基于美标的通用有限元结构分析与设计软件STAAD.PRO[3]，将地上钢结构厂房与地下池体结构单独分析计算。本文仅讨论地下部分的结构分析过程。

2 结构分析模型及计算工况

2.1 分析模型的建立

泵房共3条6.5 m宽的流道，另设检修区(跨距7.5 m)和配电间(跨距6.5 m)。在分析结构特点的基础上，基于STAAD.PRO的三维建模功能，分5步建立地下结构模型。

a.构建模型轮廓。确定结构的控制点坐标，并建立杆单元模拟梁柱结构，搭建起地下结构的杆系外轮廓。

b.建立板单元。利用STAAD.PRO的填充板功能，将杆单元构成的轮廓以板单元填充，模拟墙板结构；再利用板单元网格划分功能将轮廓板划分为0.5 m×0.5 m的计算单元(计算板单元大小根据实际计算需要调整)。

c.以刚性杆模拟水泵基础。为了接近真实的模拟基础对泵的支撑作用，改变以往直接施加均布荷载模拟水泵对基础作用的方式，通过建立水电机-水泵刚性杆系统模拟立式泵，可将电机和水泵荷载(包括静载和动载)分别加于不同的质心点位置，并通过刚性杆与泵基础连接，保证泵的稳定性。

d.定义基础约束。由于泵房采用天然地基，因此可以用STAAD.PRO的筏板基础(Plate Mat Foundation)建立约束，具体命令为PLATE MAT DIRECT ALL SUBGRADE f1、f2、f3 PRINT，其中，f1、f2、f3分别为Y、X、Z方向土的压缩模量。

e.初步确定梁单元尺寸及板单元厚度。梁尺寸及板厚可根据设计经验进行初选，待分析完成之后再进行优化调整。

建立完成的STAAD.PRO模型见图1。

图1 二次循环水泵房三维模型

2.2 基本工况及荷载组合

基本工况及荷载组合是美国标准设计的核心内容。对荷载组合规定的不同，是中美规范对设计要求的主要区别，且对设计结果有着决定性的影响。因此，建立正确的基本工况并适当地组合出最不利工况，是保证设计安全及成功的关键。

巴基斯坦业主要求地震荷载需要依据BCP-2007[4]计算。经对比，BCP-2007对地震荷载的规定与UBC-1997[5]一脉相承，因此在实际操作中均以UBC-1997作为地震荷载计算依据。除此以外的其他荷载及荷载组合均根据IBC-2015[6]和ASCE 7-2010[7]计算。

2.2.1 地下结构基本工况

a.结构自重工况(FDN)：水池结构自身重力。

b.设备自重工况(DE)：循环水泵、辅泵、阀门、管道、滤网等设备自身重力。

c.水池内水压力工况(F)：考虑最高设计水位时水的竖向和侧向压力。

d.池外土的侧土压力工况(H)：此工况仅考虑土的侧土压力，不考虑地下水的作用。

e.池外地下水的作用工况(GWTH、GWTL)：此工况需考虑最高地下水位及最低地下水位作用下对池体结构的侧向压力和浮力。由于侧土压力未考虑地下水作用，考虑水的侧向力时应扣除土浮重度的侧向作用部分。

f.地震荷载工况(EX， EZ)[8]：依据UBC-1997运用水平剪力法计算。厂址地震场地类别为2A，场地系数Z=0.15，土壤剖面类型为SD，重要性系数I=1.0，地震响应修正系数R=3.5。池体为刚性结构，地震荷载计算式为：

V=0.7CaIG

(1)

式中：V为水平剪力；Ca为地震系数；G为结构自身重力。

此外，需将地上结构的各单工况荷载计算结果，导入地下结构模型相应工况的相应节点上。

2.2.2 荷载工况组合

依据ASCE 7-10[7]关于荷载组合的规定(2.3节和2.4节)，分别按照容许应力设计法(ASD)和荷载抗力系数法(LRFD)的相关规定进行荷载工况组合。同时，还应依据ACI 350-2006[9]对容器环境耐久性使用的规定，考虑LRFD组合下乘以1.3的环境耐久系数组合。ASD及LRFD荷载工况组合(部分)对比见表1，其中， D工况包括地上恒载工况DL与FDN；L为活载工况，OP为运行荷载工况，LR为上部结构传来的屋面荷载工况；W为地上风荷载工况；CVM、CVS、CLS 、CSS、CBS均为地上结构吊车荷载工况。

3 计算结果分析

3.1 地基承载力验算

在STAAD.PRO后处理中，可以提取到各工况下基底反力。

a.找到最大地基反力工况，进行考虑浮力的地基承载力验算。由于美标的地基承载力验算，一般以沉降控制的地基净承载力为控制标准，因此，需要用计算结果中的地基反力，扣除对应工况下相应深度下土的重度(包括地下水)。本工程沉降控制为50 mm，通过对比相应基础面积下的地基净承载力限值与计算值，即可进行地基承载能力验算。最大地基反力工况下地基反力云图见图2。由图2可知，最大地基反力约为300 kPa，出现在泵房平面位置的左上角；最小地基反力约为80 kPa，出现在泵房平面位置的右下角。

表1 ASD及LRFD荷载工况组合(部分)对比

图2 最大地基反力工况下地基反力云图

b.找到最小地基反力工况，进行抗倾验算。美标中对筏板基础零压力区限值并没有明确规定，本工程均按不超过20%控制。最小地基反力工况下地基反力云图见图3。由图3可知，最大地基反力约为210 kPa，出现在泵房平面位置的上部；最小地基反力约为-19 kPa，出现在泵房平面位置的下部。

图3 最小地基反力工况下地基反力云图

3.2 强度设计及裂缝验算

STAAD.PRO可直接给出梁单元的内力，因此梁、柱强度设计可通过提取内力的方式由第三方计算软件完成，也可根据ACI 318-2014[10]中关于梁、柱的计算要求自行计算确定。

由于STAAD.PRO给出的是各单元板内力，板单元整体配筋计算略显困难。实际操作中可提取最大板单元内力进行配筋计算，也可利用STAAD.PRO自带的混凝土板单元强度设计功能进行配筋计算。在利用STAAD.PRO进行板配筋设计时，应将不同区域的板单元分别进行定义，以避免应力集中的出现。STAAD.PRO板配筋结果分别给出板顶与板底(由板的正方向决定)的X向与Y向配筋。板向上为正方向，单个流道底板配筋计算结果见表2。

表2 STAAD.PRO板强度配筋计算结果

完成强度设计之后，还应根据ACI 350-2006中关于裂缝控制的有关规定进行强度验算。

4 结束语

以STAAD.PRO为基本设计平台，以自编程序进行辅助验算，可以实现泵房地下结构的美标设计，结果可靠且设计合理。基于美标的二次循环水泵房地下结构设计过程，需重点解决以下几个方面的问题。

a. 选择合理的设计工具。STAAD.PRO基于美标开发，是理想的设计工具。

b.结构模型的建立，应充分考虑到结构合理性与分析可靠性。以梁单元首先建立模型轮廓，很好地解决了模型空间复杂、建模易出错的问题。

c.基本工况与荷载组合是决定分析正确性的关键因素。应合理建立足够的基本工况，并组合出最不利工况，才能保证设计的可靠性。

d.地基承载力验算应考虑沉降控制下的地基净承载力限值。沉降量与基础大小和土体情况密切相关，设计应配合地勘确定合理的沉降控制曲线。