地下轉(zhuǎn)運(yùn)站局部抗浮設(shè)計(jì)的有限元變形分析

石漢偉

0 引言

地下轉(zhuǎn)運(yùn)站是火力發(fā)電廠的一個重要構(gòu)筑物。印度某工程地下水埋藏較淺，廠區(qū)常年最高水位可達(dá)地表，抗浮是地下轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)計(jì)的主要因素之一。工程中常用的抗浮方式有:自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮及錨固抗浮。由于受當(dāng)?shù)厥┕l件的影響嵌固抗浮和錨固抗浮沒辦法實(shí)現(xiàn);由于地下轉(zhuǎn)運(yùn)站頂部(地面上)要走火車，轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)部為工藝運(yùn)行所要求的空間，因此可以通過外伸底板，在外伸底板上增加配重土體來滿足轉(zhuǎn)運(yùn)站整體抗浮的要求，但轉(zhuǎn)運(yùn)站底板上支柱的局部抗浮只能通過增加自重來實(shí)現(xiàn)，通過計(jì)算要滿足局部抗浮，需要的底板厚度為7 m，這對工程的投資及地基巖石的爆破量投資是巨大的。

經(jīng)過分析考慮用厚底板的微變形來抵抗局部浮力作用，在外伸底板上增加配重土體來滿足轉(zhuǎn)運(yùn)站整體抗浮的要求。由于局部浮力的作用，底板上支柱會上抬，此時與支柱相連的框架梁都會產(chǎn)生變形，如果變形過大會導(dǎo)致梁柱的內(nèi)力重新分配，會產(chǎn)生不可預(yù)測的后果。

由于單獨(dú)計(jì)算底板在浮力和自重作用下的變形，此變形較大，沒辦法考慮側(cè)壁剛度和底板上支柱對底板變形的貢獻(xiàn)，也無法計(jì)算底板上支柱在底板最大變形時的偏轉(zhuǎn)角度。本文結(jié)合印度某工程實(shí)例，采用通用有限元軟件STAADPRO對地下轉(zhuǎn)運(yùn)站在浮力作用下的變形進(jìn)行了精確分析計(jì)算。

1 工程實(shí)例簡介

印度某燃煤發(fā)電廠，采用地下雙層轉(zhuǎn)運(yùn)站。地下1層層高6950 mm，側(cè)壁之間凈空尺寸13200 mm×17200 mm，側(cè)壁厚1200 mm，頂板位于地面下2250 mm，頂面為梁板結(jié)構(gòu)，板厚250 mm;地下2層層高9000 mm，底板厚2000 mm，側(cè)壁之間凈空尺寸13200 mm×17200 mm，側(cè)壁厚1200 mm，地下1層～2層之間為梁板式結(jié)構(gòu)，板厚150 mm。在底板上立有三根柱子用來支撐1層和2層傳來的荷載，柱子截面大小為800 mm×800 mm，700 mm×900 mm，800 mm×800 mm，見圖1～圖3。

圖1 地下轉(zhuǎn)運(yùn)站整體布置圖

圖2 地下轉(zhuǎn)運(yùn)站底板柱布置圖

圖3 地下轉(zhuǎn)運(yùn)站剖面圖

圖4 底板變形圖

V砂巖:中等風(fēng)化～微風(fēng)化，結(jié)構(gòu)完好，少量風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖芯呈長柱狀，巖芯采取率為51%～100%，RQD為0%～100%，聲脆，不易擊碎。地基承載力特征值為800 kPa。鉆孔內(nèi)揭露地下水水位埋深0.00 m～3.15 m，廠區(qū)常年最高水位可達(dá)地表。

2 結(jié)構(gòu)的整體抗浮分析計(jì)算

2.1 抗浮驗(yàn)算的表達(dá)式

對于地下建(構(gòu))筑物，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.0.2條規(guī)定，當(dāng)?shù)叵滤癫剌^淺，建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時，尚應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》采用了荷載效應(yīng)與抗力的關(guān)系表達(dá)式，《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出抗浮穩(wěn)定性系數(shù)和穩(wěn)定性抗力系數(shù)，系數(shù)取值1.05～1.10。文獻(xiàn)[7]20.1 條規(guī)定抗浮穩(wěn)定性系數(shù)為1.2(印度規(guī)范)?，F(xiàn)行規(guī)范沒有明確規(guī)定，各規(guī)范表達(dá)不一。結(jié)合印度現(xiàn)行規(guī)范的要求采取如下的計(jì)算公式和相應(yīng)的系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)組合:DL+F土壓力+F浮力。整體抗浮驗(yàn)算組合:0.9DL+1.2F浮力。

2.2 整體抗浮的計(jì)算結(jié)果

底板厚2.0 m，側(cè)壁厚1.2 m。

側(cè)壁、頂板、頂板梁、中間板、中間梁、柱自重:39451 kN。

頂板覆土重:

2.250×15.6×19.6×8=5503.68 kN。

底板頂鋼筋混凝土墊層厚400 mm:

0.4 (14.4－1.2)×(18.4－1.2)×25=2270.4 kN。

底板重:2×17.6×21.6×25=19008 kN。

挑板覆土重:

整體抗浮滿足要求。

3 柱的局部抗浮計(jì)算

頂板覆土重:2.250×7.2×4.775×8=618.84 kN。

底板頂素混凝土墊層厚400 mm:

0.4×7.2×4.775×25=343.8 kN。

底板厚2.0 m:

2×7.2×4.775×25=1719 kN。

支柱傳來的頂板和中間板的自重:1613 kN。

合計(jì):

618.84 +343.8+1719+1613=4294.64 kN。

浮力:

(2+0.4+9+6.95)×7.2×4.775×10=6308.73 kN。

經(jīng)計(jì)算當(dāng)?shù)装宓暮穸葹? m時，靠自重不能滿足局部抗浮要求。

底板厚取8.5 m:

經(jīng)計(jì)算當(dāng)?shù)装宓暮穸热?.5 m時，靠自重仍然不能滿足局部抗浮要求。但顯然這樣的抗浮方法是不可取的，非常的不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)過分析希望能通過底板的剛度來抵抗一部分浮力，而且不至于導(dǎo)致底板和與底板接觸處柱子的變形過大。

4 有限元模型的建立

4.1 單元的選擇

側(cè)壁、底板、頂板及中間板采用殼單元;柱及梁采用梁單元模型。

4.2 材料參數(shù)

地下轉(zhuǎn)運(yùn)站采用C30防水混凝土，彈性模量為3.0×104N/mm2，泊松比為0.2，混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3 N/mm2，材料密度為2500 kg/m3。

4.3 邊界條件

底板下采用只壓彈簧，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和JCCAD(PK＆PM的技術(shù)條件書)的推薦值采用1.0×106kN/m3。

4.4 添加荷載

按照工藝資料荷載和DL 5022-93火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行荷載計(jì)算。

5 變形計(jì)算結(jié)果

通過上述有限元模型的計(jì)算分析得到以下主要結(jié)果(見圖4):地下轉(zhuǎn)運(yùn)站在地下水浮力作用下的最大位移在1293點(diǎn)為0.711 mm，三根柱(498，499，500)位置處底板在水浮力作用下向上的位移值為0.269 mm，0.305 mm，0.148 mm。此結(jié)果表明由于厚底板的剛度很大，局部上浮力對柱子的位移影響很小;此微小變形對與柱子相連的中間層及頂層的梁板造成的影響可以忽略不計(jì)。

6 結(jié)語

1)有限單元法是解決地下轉(zhuǎn)運(yùn)站變形計(jì)算的有效方法，能夠得到精確可信的結(jié)果。

2)在整體抗浮滿足規(guī)范要求的前提下，可以通過厚底板的剛度來使局部抗浮滿足規(guī)范要求。

3)通過厚底板的剛度來抵抗局部抗浮相對于只是依靠增加底板重來抵抗局部抗浮是很經(jīng)濟(jì)的。

[1]GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006年版)[S].

[3]GB 50069-2002，給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB 50332-2002，給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]袁正如.地下工程抗浮設(shè)計(jì)中的幾個問題[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(3):6.

[6]《給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》編委會.給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[7]PLAIN AND REINFORCED CONCRETE CODE OF PRACTICE(Fourth Revision)IS 456:2000(Indian Standard).

[8]DL 5022-93，火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

[9][美]威爾遜.結(jié)構(gòu)靜力與動力分析——強(qiáng)調(diào)地震工程學(xué)的物理方法[M].第4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.