排水井结构设计中风荷载的计算

2019-07-16戴海旭

有色设备 2019年3期

戴海旭

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

尾矿库设置排水系统，可以及时排除库内降雨形成的洪水，以确保尾矿库的安全，因此排水系统对尾矿库的安全起着至关重要的作用。较为常见的排水系统是“井- 管”式排水系统，而排水井是“井- 管”式排水系统的重要组成部分，因此需要合理地计算和设计排水井。通过洪水计算、调洪演算确定排水井的直径及高度等基本尺寸之后，就可以对排水井进行结构设计。排水井属于高耸结构，在运行前期，风荷载对排水井影响最大，因此在排水井结构设计中如何计算确定好风荷载至关重要。

1 排水井的基本尺寸

排水井主要有四种形式，窗口式排水井、框架式排水井、砌块式排水井和井圈叠装式排水井，排水井形式示意图如图1所示。

图1 排水井形式示意图

目前应用较普遍的是窗口式排水井和框架式排水井，均为整体钢筋混凝土结构，本文所述内容适用于窗口式排水井和框架式排水井，不适用于砌块式排水井和井圈叠装式排水井。

排水井由井身和井座两部分组成，井身为进水部分，井座是排水井与排水管衔接的部分。在进行结构设计之前，需先通过尾矿库的洪水计算及调洪演算，从工艺和功能要求上确定排水井的基本尺寸，如排水井的高度H1、井身内径D1、井座内径D2和井座满足消能要求的最小深度H2，如图2所示，进而结合这些基本尺寸，对排水井进行合理的结构设计，使其兼具功能性、安全性与经济性。

图2 排水井基本尺寸

2 排水井结构设计基本理念

排水井结构设计时，对于不同的设计工况，当用内力的形式表达时，排水井结构构件应采用下列承载能力极限状态设计表达式[1]。

γ0S≤R

(1)

式中γ0—结构重要性系数；

S—承载能力极限状态下作用组合的效应设计值；

R—结构构件的抗力设计值。

不论排水井整体结构还是局部构件，都可通过公式(1)所表示的承载能力极限状态计算法进行设计。通常意义上，S为外界荷载在不同工况下合理组合后对排水井结构或构件所产生的拉、压、弯、剪、扭等作用效应的设计值，而R为排水井结构或构件自身所具有的抗拉、抗压、抗弯、抗剪、抗扭等抗力设计值。排水井结构设计的目的，即为在保证排水井抗力设计值能满足各种最不利工况荷载作用效应设计值的前提下，使结构经济合理。以上为排水井结构设计的基本理念，这个理念将贯穿整个排水井结构设计的始终。

结构重要性系数γ0依据设计使用年限进行划分，见表1[2]。

表1 结构重要性系数划分表

对于常见的排水井，设计使用年限一般在5～50年之间，所以结构重要性系数γ0取1.0即可。

排水井的抗力设计值R与混凝土结构的配筋形式关系密切，不在本文讨论范围内，本文重点讨论计算排水井所受风荷载效应设计值S的计算。

3 排水井受荷分析

排水井属于高耸结构，所受的荷载有自重、尾矿压力、澄清水压力、风荷载和地震荷载(当场地设防烈度大于6度时)。排水井不同运行时期、不同工况下，设计计算的对象不同，荷载效应组合的形式也不同，一般分为运行初期和运行终期两个时期进行分析，而风荷载在运行初期对排水井的作用效应最明显，所以本文仅考虑运行初期的排水井。

运行初期，排水井已建成但未投产使用，对于场地设防烈度不大于6度的地区，排水井所受的水平荷载只有风荷载，在风荷载标准值的作用下，排水井受力形式如图3所示。

图3 排水井风荷载受力形式

因为风荷载是可变荷载，所以排水井所受风荷载的效应设计值S应按公式(2)确定：

S=γQSk

(2)

式中S—承载能力极限状态下作用组合的效应设计值；

Sk—承载能力极限状态下作用组合的效应标准值；

γQ—风荷载的分项系数，取1.4。

对于排水井结构计算，Sk通常为弯矩标准值和剪力标准值，而计算弯矩标准值和剪力标准值最重要的是确定风荷载标准值ωk。

4 排水井所受风荷载标准值ωk的确定

根据《建筑结构荷载规范》[1]及《高耸结构设计规范》[3]，垂直于排水井表面上的风荷载标准值，应按公式(3)确定：

ωk=βzμsμzω0

(3)

式中ωk—风荷载标准值，kN/m2；

βz—高度z处的风振系数；

μs—风荷载体型系数；

μz—风压高度变化系数；

ω0—基本风压，kN/m2。

通过以上公式可以看出，计算排水井所受的风荷载标准值需要确定4个参数值：βz、μs、μz、ω0，其中，基本风压ω0根据规范附录所带的《全国各城市的雪压、风压和基本气温表》或各地的手册可查询得出；风压高度变化系数μz根据排水井所在地区的地面粗糙度结合排水井的高度也可得出，同时根据排水井所处山峰或山谷的不同位置需乘以相应的系数，这在规范中都有明确的说明。而风振系数βz和风荷载体型系数μs需经过演算推导才可得出，这也是计算排水井风荷载的关键所在，下面分别就这两个系数的演算推导进行论述。