大埋深地下式矩形泵房优化设计

王植林

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司南京分院，江苏 南京 210012）

0 引言

地下式矩形泵房是一种常见的给排水构筑物，通常分干式泵房和湿式泵房，平面形状分为圆形和矩形，一般埋设于地面以下，深度从几米到几十米不等。根据工程需要，矩形泵房更有利于工艺设备的布置。与传统民用建筑地下室相比，泵房一般为地下一层结构，根据设备安装需要，中间无法设置楼板，顶板部分也只能在局部设置楼板，埋深较大时，壁板及底板受力较大。对矩形泵房进行合理的受力分析，有助于最优设计方案的确定，这样可有效节约工程造价。

以往给水排水构筑物一般按照《给水排水工程结构设计手册（第二版）》[1]中的计算方法进行设计，先将结构拆解成二维弹性板构件，再逐个采用查表法或者利用理正工具箱等软件进行设计，一般不考虑构件之间的内力重分配，在复杂水池计算分析时有一定的局限性。随着近几年软件的不断发展，出现了盈建科、理正复杂水池等有限元计算软件，在结构建模、水池荷载输入、多格水池荷载组合、结果提取等方面针对水池类结构作了诸多优化，相比一些通用有限元软件使用更为顺手，工作效率大大提高，为设计人员对水池类结构三维整体有限元分析提供了便利，这样可更加准确地分析结构受力，进行更合理的设计。本文结合实际案例，对大埋深地下式矩形泵房进行三维整体有限元计算优化设计作一探析。

1 工程概况

南京某水源厂取水规模为21万t/d，取水泵房与吸水井采用分建方式，泵房为干式泵房，安装6台卧式轴流泵。平面尺寸为34.7m×12.2m，设计埋深为10.7m。下部为一层钢筋混凝土地下室，上部为单层框架结构，坡屋面，主框架跨度为11.6m，柱距5.7m，层高为9.0m（见图1）。泵房内设桥式起重机一台，起吊重量为10t。混凝土强度等级为C30，抗渗等级P8。裂缝控制等级为二级，泵房下部最大裂缝宽度为0.20mm。泵房底板位于⑤1层全风化凝灰岩，fak=230kPa，直接利用其作为基础持力层。抗浮设计水位为地面以下0.5m，利用结构自重及覆土进行抗浮。

2 顶板设计考虑的问题

泵房正负零标高楼板，为了保证安装和检修时水泵及其他设备起吊，水泵安装位置正上方均需大面积开孔，无法全部设置楼板，仅在泵房长方向端部设置一定面积的楼板作为检修平台，并在沿长方向两侧设置走道板，便于通行，同时利用走道板作为泵房下部壁板的支承构件，改善壁板受力。设计时使走道板具有足够的平面内刚度，满足《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》[2]中ng≥0.25×m4（HB/b），（式中ng为走道板横截面惯性矩与池壁截面惯性矩的比值，m为走道板水平向计算跨度与池壁高度的比值，HB为池壁高度，b为池壁计算宽度取1m），这样走道板就可作为池壁的不动铰支座，受力更为清晰明确。走道板厚度不小于200mm，并对其横向受力进行计算。

3 泵房壁板分析及设计

泵房壁板位于地面以下，主要承受地下水压力、土压力，泵房埋深较大，承受侧压力较大。如将X方向壁板按整块大板设计，板的尺寸达34.2m×10.2m，壁板长度较大，无法利用走道板作为不动铰支承作用，按三边固定、上边自由计算，X方向壁板竖向根部弯矩达到2180kN·m，为满足承载力和正常使用要求，壁板设计厚度需要1600mm，不是很合理。为优化壁板受力，结合上部柱网布置在泵房下部设置壁柱，同时在扶壁柱的中部和顶部设置对称梁，形成底框架，将壁板分隔成若干块小壁板，这样大大减小了壁板的受力。

3.1 构件查表计算

泵房X方向池壁被扶壁柱分隔成六块壁板，单块壁板尺寸LB=5.7m，LH=10.3m，每块壁板可采用构件查表计算，规范和设计手册对扶壁柱的刚度并无明确要求，一般假定壁柱作为壁板的支承端，根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS 138:2002）[2]，LB/LH=0.55，按三边固定，顶板简支的双向弹性板进行计算，采用查表法，壁板计算简图及基本组合下内力设计值如图2所示。

图2 计算简图及结果

3.2 有限元整体计算

实际壁板扶壁柱刚度有限，会发生一定的变形，一般扶壁柱无法完全作为壁板的支承边界[3]，扶壁柱的支撑刚度会对壁板内力产生影响，采用有限元整体计算时可以考虑这种影响。采用盈建科建筑结构计算软件（YJK-A）进行三维有限元整体建模计算，楼板、壁板以及底板采用壳单元，扶壁柱采用实体单元，其余梁、柱采用梁单元；采用线弹性本构模型，弹性模量EC=3.00×104MPa。网格划分尺寸为0.5m，计算模型如图3所示。

图3 泵房三维计算模型

以泵房X方向为例，扶壁柱间距为5.7m，壁板净高为10.3m，壁厚600mm，分别取壁柱尺寸为600mm×1500mm、600mm×2000mm、600mm×2500mm时对壁板内力进行分析，壁板水平、竖向弯矩计算结果如图4所示。

图4 壁板水平、竖向弯矩（单位：kN·m）

3.3 结果对比及分析

根据以上计算，边壁板及中间壁板主要弯矩计算结果汇总如表1、表2所示。

表1 边壁板弯矩计算结果对比

表2 中间壁板弯矩计算结果对比

从对比结果可知，构件查表计算与有限元整体计算有一定的差异。构件查表计算时，不区分边壁板和中间壁板不同的支承条件，按相同的计算结果考虑，实际边壁板一侧受到Y方向壁板的支承，刚度远大于扶壁柱刚度，因此边壁板与中壁板内力会有差异。总体来看，构件查表计算水平向弯矩较有限元计算结果大，竖向弯矩较有限元算法计算结果小，特别是竖向支座弯矩相差可达1倍。

采用有限元整体计算，壁板内力随扶壁柱刚度的变化而变化。扶壁柱刚度增大时，边壁板与y向壁板连接侧水平支座弯矩变小，扶壁柱支承侧水平支座弯矩变大，当扶壁柱刚度大到一定程度时两者趋于一致；水平跨中弯矩略微变大；竖向弯矩均有变小趋势。对于中壁板，扶壁柱刚度增大时，水平向弯矩均增大，竖向弯矩均变小。

有限元整体计算时考虑了构件之间的相互协调变形和内力传递，较构件查表计算更符合实际情况。扶壁柱刚度对壁板内力有一定影响，但在上述截面试算范围内，影响幅度有限，在10%～35%之间，并趋于规律变化，考虑扶壁柱截面尺寸过大，可能会影响内部空间布置，设计最终取扶壁柱截面尺寸为600mm×1500mm，并采用有限元整体计算结果进行配筋设计。

4 底板设计比选

泵房建设场地地质条件较好，利用天然地基作为持力层，地下水位较高，底板承受地基反力和地下水浮托力作用，从结构受力、经济性、施工便利性等方面综合考虑，底板设计可以采用梁板式和平板式2种方案。计算时采用弹性地基梁板法，基床反力系数取30000MN/m。

4.1 梁板式方案

为减小底板受力，在壁板扶壁柱位置对应设置向下突出底板的地梁，高800mm×2000mm，底板厚度取700mm，此时底板厚度较小，自重较轻，为满足抗浮要求，底板飞边外挑1.5m。介于篇幅，本文仅给出底板X、Y方向板面最大弯矩计算结果，如图5所示。

图5 梁板式方案的底板弯矩图（单位：kN·m）

从计算结果得知，底板截面设计时，不考虑应力集中处，主要弯矩控制设计值分别为Mx0=-501kN·m，Mx=231kN·m，My0=-460kN·m，My=307kN·m；地梁跨中包络弯矩控制设计值为M=-4455kN·m。

4.2 平板式方案

底板采用等厚度底板，为满足受力及抗浮要求，底板厚度1300mm，底板厚度自重较大，飞边外挑可适当减小，取为1.0m，可满足抗浮要求。介于篇幅，本文仅给出底板X、Y方向板面最大弯矩计算结果，如图6所示。

图6 平板式方案的底板弯矩图（单位：kN·m）

从计算结果得知，不考虑扶壁柱根部处的应力集中，底板包络弯矩设计值分别为Mx0=-720kN·m，Mx=480kN·m，My0=-640kN·m，My=1051kN·m。

4.3 方案比选

根据上述内力计算结果，进行截面设计，对比如表3所示。

表3 底板设计比选表

从受力上来说，梁板式方案，底板受力较为明确，扶壁柱处设置地梁，改善了扶壁柱根部的受力，而平板式方案扶壁柱根部在底板处应力集中，受力较为不利，对应位置需增设暗梁加强；从施工上来说，平板式方案施工较为方便快捷，但介于底板厚度较大，基坑整体深度稍大，梁板式方案，需在底板下开挖地梁沟槽，制作地梁，施工工序较多，工期稍长，但本工程地质条件较好，实施较为方便；从造价上来说，梁板式方案混凝土用量、钢筋用量、土方开挖量均低于平板式方案，底板总体造价节省约20万元。综合考虑经济性及施工可行性，最终选择梁板式方案。

5 结束语

通过对大埋深地下式矩形泵房相关结构设计问题的分析比较，得出以下主要结论：

（1）随着有限元软件的快速发展，建议类似给排水结构采用有限元整体计算，可考虑构件间的相互作用及变形协调，计算结果更接近实际情况，配筋设计更为安全合理。

（2）一般扶壁柱无法完全作为壁板的支承边界，且扶壁柱刚度对壁板内力有一定影响，建议在保证扶壁柱一定刚度的情况下，采用三维整体有限元计算壁板内力。

（3）对于大埋深矩形泵房，底板平板式设计受力较大，材料用料较多，梁板式结构设计方案经济性更好，在地质条件较好的情况下有一定优势。