直接空冷支撑柱与基础结构计算及程序设计

圣玉兰 吴雯娴 王灵芝

(中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

直接空冷系统具有节水，占地面积小，可以选择的地方多，空冷岛下很多地方可以再利用等优点，能有效解决富煤贫水地区的发电问题，在世界上获得了快速发展。我国是一个水资源贫乏的国家，水资源时空分布不均，煤炭基地多半集中在缺水地区，特别是在“富煤缺水”的东北、华北、西北发展电力工业，采用直接空冷技术建设节水型电厂是非常有效的节水途径[1]。高效、环保、节水是21世纪燃煤发电的三大课题，实现可持续发展战略，大型火电直接空冷技术是实施“节水最大化、排放最小化”的新技术。

直接空冷支撑柱及基础结构是直接空冷电厂的重要组成部分，直接空冷支撑柱及基础结构的设计也是电厂结构设计中的一个重要组成部分。然而以往人工手动计算存在工程量巨大、过程繁琐、耗时耗力、容易出错等诸多弊端，采用VB进行可视化程序设计能实现上述计算过程，并能有效避免上述弊端，保证设计质量，提高设计速度。同时，在Visual Basic的集成开发环境中设计界面、编写代码、调试直至把应用程序编译成可在Windows系统中运行的可执行文件，开发后的程序可以经过打包处理生成脱离Visual Basic环境仍可安装运行的可执行文件，能为结构设计提供很大的方便[5]。

1 计算方法

1.1 荷载组合分析计算

空冷凝汽器支架体系主要由钢桁架平台和平台下部钢筋混凝土柱组成。要对下部钢筋混凝土柱进行结构计算时，首先需要对上部钢结构进行有限元分析，得到各柱节点在不同荷载作用下的反力值。上部结构荷载输入主要包括结构自重、挡风墙载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷以及风机动力载荷等。具体输入过程、荷载组合情况及有限元分析过程不在此文赘述，只提取其计算结果作为下部空冷柱的计算依据。

根据上部结构计算的分析结果，首先对各管柱进行荷载组合分析，荷载分项系数、准永久值系数、组合值系数以及荷载组合方式的选取，遵循现行国家及电力行业荷载规范的规定。荷载组合方式主要包括荷载标准组合、荷载基本组合及荷载偶然组合，根据荷载组合方式最终确定，荷载标准组合计算共计考虑68个工况，荷载标准组合计算共计考虑48个工况，荷载标准组合计算共计考虑16个工况，计算得到各柱在上述工况下的内力值。

1.2 管柱配筋计算

混凝土管柱的最大弯矩位于柱脚处，因此取荷载标准组合工况下支座反力作为柱的设计荷载。当柱脚满足的时候，其他地方都是满足的[2]。

沿周边均匀配置纵向钢筋的环形截面偏心受压构件，其正截面受压承载力应满足式(1)，式(2)的要求[3]。

说明：本文只摘录主要公式，公式中各符号的含义见相应规范中的详细说明。

N≤αα1fcA+(α-αt)fyAs

(1)

(2)

此外，管柱受剪截面尺寸应符合式(3)的要求：

(3)

受剪承载力应符合式(4)的要求：

(4)

1.3 桩基承载力计算

当地质条件不够好，管柱地基处理拟采用桩基时，需要对桩基及桩基承台进行设计。桩的选型与布置、基桩构造及承台构造等应满足相关规范的要求。同时，验算桩基承载力时，应验算在不同荷载组合作用下轴心竖向力作用下单桩桩顶竖向力、偏心竖向力作用下单桩桩顶竖向力和水平力作用下单桩桩顶水平力分别按以下式(5)～式(7)计算[6]：

(5)

(6)

(7)

计算后按要求分别判断其是否满足桩基承载力要求。

1.4 桩基承台的计算

承台的设计及计算主要包括以下几个方面：

1)承台的受弯计算：

对于管柱常用的多桩矩形承台，承台的弯矩设计值可按式(8)，式(9)计算：

Mx=∑Nizi

(8)

Mz=∑Nixi

(9)

取上述弯矩较大值按照《混凝土结构设计规范》进行承台的受弯承载力及配筋计算，且承台配筋面积应该满足最小配筋率的要求。

2)柱对承台的冲切验算：

根据《建筑地基基础设计规范》，柱对承台的冲切验算时应满足式(10)：

Fl≤2[βox(bc+aoz)+βoz(hc+aox)]βhpfth0

(10)

3)角桩对承台的冲切验算：

根据《建筑地基基础设计规范》，角桩对承台的冲切验算时应满足式(11)：

(11)

4)承台的斜截面受剪承载力计算：

根据《建筑地基基础设计规范》，承台的斜截面承载力应满足式(12)：

V≤βhsβftb0h0

(12)

2 可视化程序设计

2.1 程序运行的软硬件环境

计算机硬件环境要求：CPU：Pentium 4 1.0 G及以上，内存：256 MB，硬盘：20 G可用空间。

计算机软件：操作系统：Windows，程序语言：Visual Basic 6.0。

2.2 程序设计思路

该程序利用上述理论计算方法并结合工程设计要求编写[4]，框图如图1所示。

2.3 程序介绍及实例计算

以某发电厂直接空冷支撑柱为例：该工程位于久侵蚀的准平原，厂区抗震设防烈度为6度，基本风压0.5 kPa。空冷平台地段多为含粘性土粉砂，为Ⅲ级～Ⅳ级自重湿陷性土层，因此地基处理考虑采用直径800 mm钻孔灌注桩，结合直接空冷支撑系统的布置及本工程相关资料进行空冷系统的结构设计。

空冷支柱的计算长度为58.6 m，管柱采用C40混凝土，内、外半径分别为1.3 m,1.7 m，采用HRB400级钢筋，混凝土保护层厚度为40 mm。

根据地勘资料及工程经验初步拟定空冷支柱的桩基承台的尺寸、混凝土强度等级、桩基个数及桩基布置等相关内容。

将上述基本数据输入本程序，并点击“管柱节点荷载文件”导入上部钢结构厂家提供的管柱在不同荷载作用下的反力值，程序计算信息输入界面如图2所示。相关计算信息输入完毕后即可点击“开始计算”程序，计算完成后生成统一的计算文件，以excel文件保存(此文件可直接作为结构设计的计算依据供校审及相关审查)。结果文件包括管柱节点在1.1节所提到的132种不同工况对应的内力值、标准组合工况计算得到的相应的桩基承载力验算数据、基本组合和偶然组合工况计算得到的相应的管柱配筋面积并比较得到的满足要求的最经济解、桩基承载力验算结果及承台配筋及相关验算结果等(由于内容较多，此处未用图示)。

通过程序计算生成的结果文件与以往手动计算结果对比可知，荷载组合分析、桩基承载力验算、承台相关计算的结果完全一致，程序计算避免了手动计算的繁琐步骤。在管柱配筋计算方面，由于式(1),式(2)为超越方程，求解As的过程是一个迭代过程，用手算的方式只能通过多次试算求得近似解，无法求得准确解。然而编制程序后，利用计算机自动求解，可准确、快速得到更为准确、经济的计算结果。特别是对于多个支柱节点多种工况的情况，利用程序计算的优点更加凸显。

3 结语

该软件的开发已经达到预期目标，功能较为完善，具有友好的人机交互窗口式界面，数据填写简单，具有较快的运行速度和较高的计算精度，方便操作。该软件的使用能大幅提升直接空冷柱及基础结构设计的工作效率；实现了直接空冷支撑柱及基础结构计算的计算机化并形成统一计算书；规范提资、计算、成果选用的设计行为；避免设计安全漏洞；有利于今后我院在直接空冷结构设计领域的整体设计水平的提高，做到在保证质量的基础上，提高了设计效率和准确率，且具有一定的技术经济效益，能更好地适应市场需求。

[1] 戴振会，孙奉仲，王宏国.国内外直接空冷系统的发展及现状[J].电站系统工程，2009，25(3):1-4.

[2] 苏 钊.空冷岛环形柱的设计及施工[J].城市建设理论研究(电子版)，2013(3):23.

[3] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[4] 王 超.Visual Basic 程序设计[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[5] 巩建华，孙秀梅，安 剑.Visual Basic学习手册[M].北京：电子工业出版社，2011.

[6] JGJ 94—2008，建筑桩基设计规范[S].