美国标准下的火电厂地下结构设计分析

姜山

（山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛 266100）

1 引言

当前国内经济迅速发展，部分电力设计院开始拓展海外市场，陆续承接海外工程设计项目。与国内项目相比，国际项目中，业主常常要求按照美国标准进行设计，因此，能否熟练应用美国标准开展工程设计对国际市场拓展成果具有决定作用。在火电厂地下结构设计中，包括地下水池、泵房、地下廊道等多项内容，且水工构筑物具有体量大、作业环境复杂、结构分析难度大等特点，要求设计者充分掌握美国标准的设计流程与方法，使地下结构设计更加科学稳定。

2 火电厂大型地下水池结构设计

2.1 荷载

在大型地下水池结构设计中，主要荷载包括结构自重、地震、地下水、设备荷载以及土压力等。与国内相比，美国标准在荷载取值、组合系数选择方面有所区别，应严格按照ASCE 7-10Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures而定，尤其是风荷载、地震荷载的选择，更要开展一系列研究后使工艺得到进一步优化。在美国标准背景下，荷载组合以容许应力设计法、荷载抗力系数设计法为主，与国内极限状态法较为相近。在抗力系数设计法中，荷载组合以1.4D+1.4F、（1.2D+1.2F）+1.6L+1.6H+0.5Lr、1.2D+1.6Lr+L 为主；在容许应力设计法中，以D+F、D+L+F+H、D+Lr+F+H 为主，上述组合中D 代表的是恒荷载；F 代表的是流体荷载；L 代表的是活荷载；H 代表的是地下水、土产生的压力；Lr 代表的是屋顶活荷载。

2.2 侧向土压力

在2015International Building Code中对侧向土压力进行明确规定，当墙体顶端受到约束时，应利用静止土压力进行计算；在墙体顶端自由的情况下，可利用主动土压力进行计算。当墙体高度低于2.44 m（8 英尺），且顶部带有弹性隔板支撑情况下，可利用主动土压力计算。在大型地下水池结构设计中，如若深度低于2.44 m，可利用主动土压力计算。若构筑物采用桩基，在地下结构抗水平力分析过程中，可计算出被动土压力，使地震或者风荷载产生的水平力被抵消。其抗剪承载力计算公式为：

式中，Va为允许抗剪承载力；Wf为基础自重；P为竖向荷载；PP为被动土压力；UD为扬压力；A为基础底面积；F为安全系数；为基底摩擦系数；PA为主动土压力[1]。

2.3 设计要点

在美国标准背景下，采用国际通用有限元结构分析软件STAAD 进行大型地下水池结构设计中，应注意2 方面要点：一是地下池体与框架交接位置的应力较为集中，很容易增加计算误差，使计算值偏离真实值，进而影响内力分析与配筋计算。对此，可在池体交界处、池壁交界处、框架等位置安装刚性杆，形成刚域，由此缓解应力集中对设计结果产生的不良影响。二是基础沉降分析期间，应对基础净荷载进行计算，重点分析地下水产生的影响。当地下部分为箱体结构时，地下水对净承载力的影响十分微小，不用考虑。但若是独立基础或者筏板基础，则要重点分析地下水对水下土容重产生的影响，并采取措施予以处理[2]。

3 大型岸边泵房地下结构设计

3.1 结构模型创建

泵房内带有3 条宽度为6.5 m 的流道，额外设置检修区与配电间，跨距分别为7.5 m 和6.5 m。在了解结构特征后，利用STAAD 三维建模，模型创建流程如下。

第一步：创建轮廓。明确结构控制点的坐标位置，创建杆单元模拟梁柱结构，形成地下结构的杆系外轮廓。

第二步：创建板单位。采用STAAD 软件中的填充板模块，将杆单元轮廓与板单元填充完毕后，模拟墙板结构，然后用板单元网络分配功能，将轮廓板分为多个子单元，单元大小结合实际情况而定。

第三步：水泵基础模拟。为使模拟基础更加接近真实情况，强化泵的支撑，将原本直接施加均布荷载模拟水泵的基础作用形式，以创建刚性杆系统的方式对立式泵进行模拟，使电机与水泵荷载分别加入不同质心点处，将刚性杆与泵基础相连，使水泵的稳定性得到切实保障。

第四步：定义基础约束。因水泵房利用天然地基，可采用STAAD 软件下的筏板基础创建约束，确定梁和板单元的尺寸与厚度，二者可结合设计经验初步设定，经过后续细致分析后再进行微调，最终创建出STAAD 结构模型。

3.2 基本工况

美国标准的核心内容在于基本工况和荷载组合，这也是中美标准的主要区别所在，对设计结果产生较大影响。可见，创建正确的基本工况并准确组合出最差工况，可使设计安全稳定得到切实保障。某工程业主要求地震荷载遵循Building Code of Pakistan Seismic Provision-2007 进行计算，经过对比可知，该规定与1997Uniform Building Code相同，因此，本工程的地震荷载遵循1997Uniform Building Code进行计算，剩余荷载与组合均按照2015International Building Code进行计算。基本工况如表1 所示[3]。

表1 泵房地下结构基本工况

3.3 计算结果

3.3.1 地基承载力检验

经过STAAD 处理后，可计算出不同工况下基底反力，明确基底反力最大值进行地基承载力检验。在美国标准基础上，通常用沉降控制作为标准，利用计算结果内的地基反力，去掉相应工况下土的重度。某工程沉降控制值为50 mm，将该基础面积地基净承载力极限值与计算值对比，便可完成检验目标。根据结果可知，地基反力最大值为300 kPa，最小值为80 kPa，位置分别在泵房平面图的左上角与右下角。此外，在地基反力最小工况下开展抗倾验算。美国标准中尚未规定筏板中无压力的区间，该项目要求按照低于20%进行控制。地基反力最大值在210 kPa 左右，最小值为-19 kPa，位置分别在泵房平面图右上角与左下角。

3.3.2 强度配筋计算

在强度设计方面，STAAD 可直接得出梁单元的内力，通过内力提取的方式获得梁柱强度，也可参照ACI 318—2014Building Code Requirements for Structural Concrete标准，对梁柱自行确定。因STAAD 可展示出不同单元板内力，但整体配筋计算难度较大，在实际工作中可将最大板单元内力提取出来进行配筋计算，还可采用STAAD 自带混凝土板单元进行强度设计。在配筋设计时，先对各区域板单元单独定义，预防应力集中。根据板配筋结果可知，板方向为正，单一流道底板配筋计算结果为：板顶X方向弯矩为684.891 kN·m，钢筋直径为25 mm，间距为150 mm；板顶Y方向弯矩为984.62 kN·m，钢筋直径为25 mm，间距为150 mm。上述2 项指标具备最小配筋率。板底X方向弯矩为2115.24 kN·m，钢筋直径29 mm，间距为150 mm；板底Y方向弯矩2036.57 kN·m，钢筋直径为29 mm，间距为150 mm。上述2 项指标不具备最小配筋率[4]。

4 火电厂煤仓地下廊道的结构设计

4.1 中心柱基础设计

该部分所受荷载包括设备自重、基础自重与厂家提供活荷载。基础部分由顶板、底板、支墩、悬挑底板覆土重量、混凝土垫层自重构成；设备荷载由机尾部重量、煤斗、栈桥皮带支架产生的荷载、检修平台重量构成。不同工况下运行荷载有所区别，重点分析正常运行与地震作用下的2 种工况，根据美国标准对2 种工况下各桩的单桩反力分别计算。在整体计算基础上，还应对各个支墩在最大荷载影响下的单桩反力单独计算。某工程采用的是φ1 000 mm 冲孔灌注桩，各支墩下方设置2 根桩，剩余底板下方均匀设置6 根桩，每个桩的竖向与水平反力均符合承载力要求。在单桩水平力计算期间，应考虑到构成要素，计算方式是扭矩产生的水平力与直接承受水平力相加。因底板厚度与刚度较大，可看成水平力是由全部装平分，因此，水平力总和/总桩数便是单个桩的水平力。基础底板采用PKPM 系列GCCAD 软件桩筏、筏板有限元软件计算，得出底板配筋与桩顶反力。在此基础上验算底板抗冲切，确保底板厚度满足美国标准。在基础壁板设计中，以圆筒空间结构分配和牛腿支墩相关计算为主，还要对抗剪承载力、预埋锚栓抗拉力等进行计算。因中心柱所受荷载作用于3 个牛腿支墩上，因此，该部分设计难度相对较大，每个支墩都有地脚螺栓套管穿过，需要在开孔周围设置加强筋，起到加固锁定的作用。

4.2 紧急卸煤斗结构

紧急卸煤斗为地下封闭箱体，位于场内堆煤最高位置的下方，其主要荷载为堆煤质量。在堆煤高度计算时，通常选择高度最大值的1/3，也可通过专业测定得出。例如，某工程堆煤高度最大值为33.48 m，可取值为11 m 进行计算。恒载荷由底板、壁板、顶板质量、基础跳板覆土质量构成；活荷载由煤斗质量、煤自重、设备荷载构成。基础底板计算与中心柱计算方式相同，利用采用PKPM 系列GCCAD 软件桩筏、筏板有限元软件得出桩顶反力、底板配筋等，并对底板抗冲切进行检验，使底板厚度得以明确。对于周围壁板可采用结构软件进行计算，还可适当精简计算流程，将各边壁板根据三边固定、上边简支得出配筋，主要荷载源于侧面土压力、顶面活荷载形成的附加侧压力、侧面水压力等。其中，附加侧压力为活荷载与土的抗力系数相乘，土压力采用梯形分布，可利用库仑定律得出。如若带有水压力，土压力重度便是浮重度，计算方式为土饱和重度与水重度之差。部分工程顶板所受荷载较大，为满足美国标准规定应设置大梁，并在梁的底部和侧面预埋钢板。在绘制配筋图时，需要在顶板洞口侧设梁，在隧道接口和侧壁位置安装加强筋，形成暗梁和暗柱，由此提高结构稳定性。

4.3 地下隧道设计

地下隧道设计通常取1 m 段进行设计，采用矩形闭合箱体，对闭合钢架结构进行计算，根据实际情况参考地下隧道设计指南。荷载包括垂直四面荷载，顶面所受荷载为板面覆土质量，活荷载为堆煤质量，计算方式仍是堆煤高度最大值的1/3。侧壁所受荷载为顶板活荷载形成的侧压力以及水、土压力。其中土压力还可分为地上、地下水位2 个方面。地下水位之上的土压力利用天然重度计算，之下的压力可利用浮重度计算。水压力的计算方式为水重度与侧壁板高度的乘积。底板反力计算方式为顶板压力与隧道顶板、自重反力、活荷载反力之和。通过上述指标的准确计算，使地下隧道设计更加科学合理、稳定可靠。

5 结语

综上所述，在火电厂地下结构设计中，美国标准与中国标准有所不同，在设计时应掌握大型地下水池、岸边泵房、煤仓地下廊道的结构设计过程与方法，并利用STAAD 软件创建三维模型，在明确基本工况与荷载组合的情况下进行计算，突破国标设计思维的限制，严格按照美国标准体系开展作业，使业主要求得到充分满足，为我国电力设计进军国际市场积累更多宝贵经验。