中美标准地基基础沉降的荷载取值对比分析

张卫东

(中国能源建设集团浙江火电建设有限公司，杭州 310016)

0 引言

地基基础沉降控制是地基基础设计的一项内容，也是国际总承包工程中的一个重要考核指标，地基基础沉降的荷载设计值，直接决定了地基基础沉降量的计算结果，是沉降量计算的关键输入参数之一。中国标准(以下简称“国标”)与电厂相关的地基基础沉降荷载计算规范有《建筑地基基础设计规范》[1](以下简称《基础规范》)、《建筑结构荷载规范》[2](以下简称《荷载规范》)、《火电厂和核电厂常规岛主厂房荷载设计技术规程》[3](以下简称《荷载规程》)、《火力发电厂土建结构设计技术规程》[4](以下简称《土规》)等，美国标准(以下简称“美标”)与地基基础沉降荷载计算相关的规范为Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures[5](《建筑和其它构筑物最小设计荷载和相关标准》，以下简称“ASCE/SEI 7-16”)，中国标准和美国标准(以下简称“中美标准”)对建(构)筑物的板、梁、柱、基础等荷载计算规定非常详实和完善，但对与地基基础沉降相关的荷载界定和计算方法尚有不清晰之处，特别是对荷载类型较多的工业项目，容易造成设计人员的计算差错，对地基基础方案造成不利影响，因此，对中美标准地基基础沉降荷载计算原则和取值方法做进一步的分析研究是有必要的。

1 中美标准地基基础沉降荷载计算规定

1.1 荷载定义

与地基基础沉降相关的荷载为国标的永久荷载、可变荷载，美标为恒荷载(dead load)、活荷载(live load)，中美标准对其定义和划分范围见表1所列(为统一表达，后文将永久荷载、恒荷载统称为“恒载”，将可变荷载、活荷载统称为“活载”)。从表1可以看出，中美标准对恒载的定义基本一致，国标的活载为广义定义，美标的活载为狭义定义。对于吊车荷载中美标准有所不同，国标将包括自重和起吊荷载合并为吊车荷载定义为活载，美标将吊车自重定义为恒载，额定起吊荷载定义为活载[5]。

表1 中美标准荷载定义和划分表

1.2 荷载计算

1.2.1 荷载效应计算公式

《基础规范》规定计算地基变形时采用准永久值组合时基础底面处的附加应力，《荷载规范》规定准永久值组合效应设计值为：

式中：Sd为荷载组合的效应值，SGjk为按第j个永久荷载标准值Gjk计算的荷载效应值，ψqi为第i个可变荷载的准永久值系数，SQik为按第i个可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，m为参与组合的永久荷载数，n为参与组合的可变荷载数[2]。

ASCE/SEI 7-16规定沉降计算荷载组合为：

式中：D为恒荷载，L为活荷载。其中0.5相当于国标的准永久值系数。

1.2.2 电厂主厂房计算荷载的确定

长期来，语文教师已经形成了“点滴不漏”的“全景式”施教的教学思维与教学习惯，他们生怕自己的一点小疏忽会造成学生的大损失，于是用自己的“扎实”与“勤奋”对文本进行着详尽的解读，并从字词句篇到语修逻文对学生进行周全的训练，使语文课堂教学不但没有“瘦身”，而且更加“肥胖”，致使一篇优美的文章常常被肢解得支离破碎，学生失去了阅读的兴趣。为此，我们需要从没有主次、杂乱无章的教学状态中解放出来，还语文教学简约而又本真的面目，彰显课堂的高效性。

中美标准对恒载的规定基本一致，直接取恒载标准值即可，电厂的活载可细分为楼面活载、屋面活载、雪荷载、吊车荷载、检修荷载、施工荷载等，中美标对这些活载的取用规定见表2所列。

表2 中美标准活载取用规定表

从表2可以看出，中美标准的差异在于是否计算雪荷载，对于吊车荷载的规定需要进一步明确，国标的准永久值系数大于美标的活载系数，为美标的1.2倍。

2 中美标准地基基础沉降活载计算对比

中美标准对恒载的定义基本一致，需要对比的部分为广义活载的计算。某1 000 MW等级火电厂汽机房和某500 MW等级联合循环燃机电站汽机房地基基础沉降活载计算结果见表3所列。按所有设备和管道荷载均计入恒载考虑，国标楼面活载为2.0 kN/m2，美标楼面活载为1.92 kN/m2，中美标准楼面活载标准值区别不大。火电厂无雪荷载，燃机电站雪荷载为0.5 kN/m2。

表3 中美标准活载计算结果表

从表3可以看出，火电厂汽机房A列国标活载设计值为美标的1.50、2.10倍，B列为2.08、2.26倍，即国标计算结果为美标的2倍左右，主要原因是国标的屋面、楼面活载折减系数远大于美标，即折减幅度较小。对于燃机电站单层汽机房，国标活载只有雪荷载一项，且荷载值很小，美标由于不考虑雪荷载，故设计值为0。

从表3也可以看出，中美标准在中柱位置差异最大，角柱相对较小，原因在于美标计算折减系数时考虑了从属面积对折减的影响，从属面积越大则折减越多，同时对角柱、边柱、中柱也进行了不同的折减，角柱折减幅度最小，其次是边柱和中柱，笔者判断美标考虑了角部易有物品堆积这一情况，同理，边柱比中柱也更易有物品堆积。这一计算方法值得国标借鉴。

3 荷载取值分析

3.1 关于楼面活载取值

《荷载规程》和《土规》规定“当工艺专业提供全部设备和管道荷载时，楼面活载可按2.0 kN/m2确定”，其中包括操作人员、一般工具、零星材料和成品自重。同时也规定当工艺专业提供主要设备和管道荷载时，楼面活载按表取用，所列活载指采用常规安装和检修措施时的楼面等效均布活载[3]，可以看出，表中的活载远大于2.0 kN/m2，比如火电厂汽机房运转层为40 kN/m2，参考规范中所列邹县四期运转层检修以外活载按10 kN/m2考虑，则检修活载为30 kN/m2，而检修荷载在地基基础沉降计算时是不予考虑的，如果按表取用则A列边柱、B列中柱单个基础仅运转层从属面积贡献的检修活载就已达到2 400 kN，等于基础荷载准永久值多计算了720 kN，除氧间多计算了450 kN，不应计入沉降计算的检修荷载A列占总准永久值组合效应约22%、B列占20.5%，按照国标沉降计算公式，地基基础沉降量与准永久组合值为线性关系，如果以国标200 mm允许沉降量为实际沉降量进行控制，则错误的计算结果约为A列244 mm、B列240 mm。

建议在地基基础沉降计算时，即便工艺专业只提供了主要设备和管道荷载，也应对未提供的固定设备荷载进行估算，特别是运转层，即使这种估算不是很准确，但因为有效剔除了检修活载，计算结果只能更接近于沉降实际值。

3.2 关于吊车荷载

《荷载规范》规定“厂房排架设计时，在荷载准永久组合中可不考虑吊车荷载”，因为处于工作状态的吊车，一般很少会持续地停留在某一个位置上，所以在正常条件下，吊车荷载的作用都是短时间的，这里的厂房排架设计既可以理解为包括基础的整个排架结构体系，也可以理解为排架上部结构，在实际应用时易产生歧义。《土规》规定“在计算地基沉降时，仅计入主厂房吊车自重产生的荷载”。同时在条文说明中也指出“根据主厂房吊车使用效率不高，最大吊重使用频率较低的实际情况，计算地基沉降时可不考虑吊重”。

这里存在两个问题：《荷载规范》的准永久值组合中的吊车荷载是否包括吊车自重；《土规》中计入吊车自重，是否每个基础都应将自重计入荷载组合。

《荷载规范》规定“吊车竖向荷载标准值应采用吊车的最大轮压或最小轮压”，因此吊车荷载应包括自重，条文说明认为当空载吊车经常被安置在指定的某个位置时，计算吊车梁的长期荷载效应按规定的准永久值采用，从前后文看，《荷载规范》只规定在计算吊车梁时才考虑自重。从土力学理论来说，如果在动荷载(如车辆、风、地震)作用时，反复荷载每一次作用的时间短暂，由于土骨架和土粒未被破坏，不发生不可恢复的残余变形，只发生土骨架的弹性变形，部分土中水排出的压缩变形、封闭土中气的压缩变形，都是可恢复的弹性变形。因此，对《荷载规范》可以解读为计算地基基础沉降时，在荷载准永久组合中可不考虑吊车荷载包括吊车自重，但对于吊车规定的停车位处的相关柱下基础，则应考虑吊车自重。

《土规》中考虑吊车自重，也是基于上述考虑，但如果除了停车位以外的所有柱下基础均按此考虑，会错误地造成基础偏大甚至出现不必要的地基处理方案，同时也会使指定停车位和非停车位之间的基础出现不利于结构安全和使用功能的沉降差，而沉降差的控制比沉降量的控制更为重要。以某燃机电站单层排架汽机房为例，该工程地基为饱和黏性土，吊车自重作用于柱最大轴压力为540 kN，在基础准永久值组合设计荷载中占比约25%，吊车停车位处地基基础沉降量计算结果为182 mm，非停车位如果也按吊车自重计算则荷载将错误地增加36%，会造成基础尺寸偏大，地基基础沉降量实际上只有146 mm，相邻基础沉降差可达36 mm，已大于汽机房容许沉降差32 mm限值。

美标的计算规定则是对上述理论结果的证明，美标将吊车作为固定设备定义为恒载，因此美标计算沉降时并不存在上述问题。但美标并未说明类似电厂工作级别为A1-A3轻级工作制吊车的起吊荷载如何考虑，事实上按照美标的体系，工程师对此具有判定权力。

综上所述，在国标计算时，建议除了吊车规定的停车位处相关柱下基础应考虑吊车自重外，其它柱下基础均不考虑吊车荷载包括吊车自重。

3.3 关于雪荷载

《荷载规范》规定“准永久值系数应按雪荷载分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的不同，分别取0.5、0.2和0”，在美标中雪荷载不属于活载范畴，所以在美标地基基础沉降计算中不考虑雪荷载。

由于雪荷载在严寒地区可能在汽机房屋面停留时间长达数月，很容易造成地基不可恢复的变形，因此国标对雪荷载的考虑是正确的，同时也可以看到国标也予以辩证处理，对不同地区的雪荷载作了区别对待。

建议在美标计算时，应考虑项目所在地的具体情况，将雪荷载纳入计算活载中，以使沉降量的计算值接近实际沉降值，这在工程实践中是被允许的，因为美标体系赋予了工程师更大的自由量裁权。同时，美标对沉降量的控制严于国标并且经常作为项目接收的考核条件之一，实事求是地考虑雪荷载对沉降量的影响是必要的。

3.4 关于楼面活载折减系数

《荷载规范》在民用建筑章节有楼面活载折减系数的规定，在工业建筑章节中未提及如何考虑，《荷载规程》和《土规》中对于工艺专业提供主要设备和管道荷载时，楼面活载折减系数按表取用，一般取值为0.6或0.7，但对于工艺专业提供全部设备和管道荷载时楼面折减系数如何取用未明确。

如上所述，当工艺专业提供全部设备和管道荷载时，楼面活载为2.0 kN/m2包括操作人员、一般工具、零星材料和成品自重，不包括比较大的检修荷载，此时只能参考《荷载规范》民用建筑楼面活载折减系数为0.9。

4 结论

1)如果采用《荷载规程》或《土规》表取用活载值，以火电厂汽机房为例，不应计入沉降计算的检修荷载导致的沉降计算结果偏差约为20%。虽然在设计过程中特别是在初步设计阶段，要求工艺专业提供全部设备和管道荷载并不现实，但初步设计阶段沉降控制对地基基础方案影响较大，进行尽可能详实的准确计算是必要的，建议在工艺专业提供主要设备和管道荷载基础上，根据类似工程经验对未提供荷载的设备和管道等固定设备进行估算，保证准永久值组合结果的真实性，从而确定合理正确的地基基础方案。

2)若所有基础均考虑吊车自重，则规定停车位处基础与相邻基础事实上会出现明显的不必要的沉降差，甚至可能超过容许沉降差，并且将人为导致地基基础工程量的增加。建议行业规范明确地基基础沉降计算时不考虑吊车荷载包括自重，但在规定的吊车停车位处相关柱下基础应考虑吊车自重。

3)虽然美标未明确地基基础沉降计算时是否考虑雪荷载，但在美标计算时，建议考虑项目所在地的具体情况，必要时将雪荷载纳入计算荷载中。

4)建议相关规范中明确工艺专业提供全部设备和管道荷载时楼面活载折减系数取用规定，笔者暂建议参考《荷载规范》民用建筑活载折减系数取为0.9。

5)根据某火电厂汽机房的计算结果，国标的准永久活载设计值为美标的2倍左右，主要原因是折减系数的差异。

6)美标活载折减系数的计算方法值得国标借鉴。