直接空冷支撐柱與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算及程序設(shè)計(jì)

圣玉蘭 吳雯嫻 王靈芝

(中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

直接空冷系統(tǒng)具有節(jié)水，占地面積小，可以選擇的地方多，空冷島下很多地方可以再利用等優(yōu)點(diǎn)，能有效解決富煤貧水地區(qū)的發(fā)電問題，在世界上獲得了快速發(fā)展。我國是一個(gè)水資源貧乏的國家，水資源時(shí)空分布不均，煤炭基地多半集中在缺水地區(qū)，特別是在“富煤缺水”的東北、華北、西北發(fā)展電力工業(yè)，采用直接空冷技術(shù)建設(shè)節(jié)水型電廠是非常有效的節(jié)水途徑[1]。高效、環(huán)保、節(jié)水是21世紀(jì)燃煤發(fā)電的三大課題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，大型火電直接空冷技術(shù)是實(shí)施“節(jié)水最大化、排放最小化”的新技術(shù)。

直接空冷支撐柱及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是直接空冷電廠的重要組成部分，直接空冷支撐柱及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分。然而以往人工手動(dòng)計(jì)算存在工程量巨大、過程繁瑣、耗時(shí)耗力、容易出錯(cuò)等諸多弊端，采用VB進(jìn)行可視化程序設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算過程，并能有效避免上述弊端，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)速度。同時(shí)，在Visual Basic的集成開發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)界面、編寫代碼、調(diào)試直至把應(yīng)用程序編譯成可在Windows系統(tǒng)中運(yùn)行的可執(zhí)行文件，開發(fā)后的程序可以經(jīng)過打包處理生成脫離Visual Basic環(huán)境仍可安裝運(yùn)行的可執(zhí)行文件，能為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供很大的方便[5]。

1 計(jì)算方法

1.1 荷載組合分析計(jì)算

空冷凝汽器支架體系主要由鋼桁架平臺(tái)和平臺(tái)下部鋼筋混凝土柱組成。要對(duì)下部鋼筋混凝土柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，首先需要對(duì)上部鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到各柱節(jié)點(diǎn)在不同荷載作用下的反力值。上部結(jié)構(gòu)荷載輸入主要包括結(jié)構(gòu)自重、擋風(fēng)墻載荷、風(fēng)載荷、雪載荷、地震載荷以及風(fēng)機(jī)動(dòng)力載荷等。具體輸入過程、荷載組合情況及有限元分析過程不在此文贅述，只提取其計(jì)算結(jié)果作為下部空冷柱的計(jì)算依據(jù)。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)計(jì)算的分析結(jié)果，首先對(duì)各管柱進(jìn)行荷載組合分析，荷載分項(xiàng)系數(shù)、準(zhǔn)永久值系數(shù)、組合值系數(shù)以及荷載組合方式的選取，遵循現(xiàn)行國家及電力行業(yè)荷載規(guī)范的規(guī)定。荷載組合方式主要包括荷載標(biāo)準(zhǔn)組合、荷載基本組合及荷載偶然組合，根據(jù)荷載組合方式最終確定，荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算共計(jì)考慮68個(gè)工況，荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算共計(jì)考慮48個(gè)工況，荷載標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算共計(jì)考慮16個(gè)工況，計(jì)算得到各柱在上述工況下的內(nèi)力值。

1.2 管柱配筋計(jì)算

混凝土管柱的最大彎矩位于柱腳處，因此取荷載標(biāo)準(zhǔn)組合工況下支座反力作為柱的設(shè)計(jì)荷載。當(dāng)柱腳滿足的時(shí)候，其他地方都是滿足的[2]。

沿周邊均勻配置縱向鋼筋的環(huán)形截面偏心受壓構(gòu)件，其正截面受壓承載力應(yīng)滿足式(1)，式(2)的要求[3]。

說明：本文只摘錄主要公式，公式中各符號(hào)的含義見相應(yīng)規(guī)范中的詳細(xì)說明。

N≤αα1fcA+(α-αt)fyAs

(1)

(2)

此外，管柱受剪截面尺寸應(yīng)符合式(3)的要求：

(3)

受剪承載力應(yīng)符合式(4)的要求：

(4)

1.3 樁基承載力計(jì)算

當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件不夠好，管柱地基處理擬采用樁基時(shí)，需要對(duì)樁基及樁基承臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。樁的選型與布置、基樁構(gòu)造及承臺(tái)構(gòu)造等應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。同時(shí)，驗(yàn)算樁基承載力時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算在不同荷載組合作用下軸心豎向力作用下單樁樁頂豎向力、偏心豎向力作用下單樁樁頂豎向力和水平力作用下單樁樁頂水平力分別按以下式(5)～式(7)計(jì)算[6]：

(5)

(6)

(7)

計(jì)算后按要求分別判斷其是否滿足樁基承載力要求。

1.4 樁基承臺(tái)的計(jì)算

承臺(tái)的設(shè)計(jì)及計(jì)算主要包括以下幾個(gè)方面：

1)承臺(tái)的受彎計(jì)算：

對(duì)于管柱常用的多樁矩形承臺(tái)，承臺(tái)的彎矩設(shè)計(jì)值可按式(8)，式(9)計(jì)算：

Mx=∑Nizi

(8)

Mz=∑Nixi

(9)

取上述彎矩較大值按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行承臺(tái)的受彎承載力及配筋計(jì)算，且承臺(tái)配筋面積應(yīng)該滿足最小配筋率的要求。

2)柱對(duì)承臺(tái)的沖切驗(yàn)算：

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，柱對(duì)承臺(tái)的沖切驗(yàn)算時(shí)應(yīng)滿足式(10)：

Fl≤2[βox(bc+aoz)+βoz(hc+aox)]βhpfth0

(10)

3)角樁對(duì)承臺(tái)的沖切驗(yàn)算：

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，角樁對(duì)承臺(tái)的沖切驗(yàn)算時(shí)應(yīng)滿足式(11)：

(11)

4)承臺(tái)的斜截面受剪承載力計(jì)算：

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，承臺(tái)的斜截面承載力應(yīng)滿足式(12)：

V≤βhsβftb0h0

(12)

2 可視化程序設(shè)計(jì)

2.1 程序運(yùn)行的軟硬件環(huán)境

計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境要求：CPU：Pentium 4 1.0 G及以上，內(nèi)存：256 MB，硬盤：20 G可用空間。

計(jì)算機(jī)軟件：操作系統(tǒng)：Windows，程序語言：Visual Basic 6.0。

2.2 程序設(shè)計(jì)思路

該程序利用上述理論計(jì)算方法并結(jié)合工程設(shè)計(jì)要求編寫[4]，框圖如圖1所示。

2.3 程序介紹及實(shí)例計(jì)算

以某發(fā)電廠直接空冷支撐柱為例：該工程位于久侵蝕的準(zhǔn)平原，廠區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，基本風(fēng)壓0.5 kPa。空冷平臺(tái)地段多為含粘性土粉砂，為Ⅲ級(jí)～Ⅳ級(jí)自重濕陷性土層，因此地基處理考慮采用直徑800 mm鉆孔灌注樁，結(jié)合直接空冷支撐系統(tǒng)的布置及本工程相關(guān)資料進(jìn)行空冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

空冷支柱的計(jì)算長(zhǎng)度為58.6 m，管柱采用C40混凝土，內(nèi)、外半徑分別為1.3 m,1.7 m，采用HRB400級(jí)鋼筋，混凝土保護(hù)層厚度為40 mm。

根據(jù)地勘資料及工程經(jīng)驗(yàn)初步擬定空冷支柱的樁基承臺(tái)的尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、樁基個(gè)數(shù)及樁基布置等相關(guān)內(nèi)容。

將上述基本數(shù)據(jù)輸入本程序，并點(diǎn)擊“管柱節(jié)點(diǎn)荷載文件”導(dǎo)入上部鋼結(jié)構(gòu)廠家提供的管柱在不同荷載作用下的反力值，程序計(jì)算信息輸入界面如圖2所示。相關(guān)計(jì)算信息輸入完畢后即可點(diǎn)擊“開始計(jì)算”程序，計(jì)算完成后生成統(tǒng)一的計(jì)算文件，以excel文件保存(此文件可直接作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算依據(jù)供校審及相關(guān)審查)。結(jié)果文件包括管柱節(jié)點(diǎn)在1.1節(jié)所提到的132種不同工況對(duì)應(yīng)的內(nèi)力值、標(biāo)準(zhǔn)組合工況計(jì)算得到的相應(yīng)的樁基承載力驗(yàn)算數(shù)據(jù)、基本組合和偶然組合工況計(jì)算得到的相應(yīng)的管柱配筋面積并比較得到的滿足要求的最經(jīng)濟(jì)解、樁基承載力驗(yàn)算結(jié)果及承臺(tái)配筋及相關(guān)驗(yàn)算結(jié)果等(由于內(nèi)容較多，此處未用圖示)。

通過程序計(jì)算生成的結(jié)果文件與以往手動(dòng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，荷載組合分析、樁基承載力驗(yàn)算、承臺(tái)相關(guān)計(jì)算的結(jié)果完全一致，程序計(jì)算避免了手動(dòng)計(jì)算的繁瑣步驟。在管柱配筋計(jì)算方面，由于式(1),式(2)為超越方程，求解As的過程是一個(gè)迭代過程，用手算的方式只能通過多次試算求得近似解，無法求得準(zhǔn)確解。然而編制程序后，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)求解，可準(zhǔn)確、快速得到更為準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)的計(jì)算結(jié)果。特別是對(duì)于多個(gè)支柱節(jié)點(diǎn)多種工況的情況，利用程序計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)更加凸顯。

3 結(jié)語

該軟件的開發(fā)已經(jīng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，功能較為完善，具有友好的人機(jī)交互窗口式界面，數(shù)據(jù)填寫簡(jiǎn)單，具有較快的運(yùn)行速度和較高的計(jì)算精度，方便操作。該軟件的使用能大幅提升直接空冷柱及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作效率；實(shí)現(xiàn)了直接空冷支撐柱及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計(jì)算的計(jì)算機(jī)化并形成統(tǒng)一計(jì)算書；規(guī)范提資、計(jì)算、成果選用的設(shè)計(jì)行為；避免設(shè)計(jì)安全漏洞；有利于今后我院在直接空冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的整體設(shè)計(jì)水平的提高，做到在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上，提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確率，且具有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，能更好地適應(yīng)市場(chǎng)需求。

[1] 戴振會(huì)，孫奉仲，王宏國.國內(nèi)外直接空冷系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀[J].電站系統(tǒng)工程，2009，25(3):1-4.

[2] 蘇 釗.空冷島環(huán)形柱的設(shè)計(jì)及施工[J].城市建設(shè)理論研究(電子版)，2013(3):23.

[3] GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 王 超.Visual Basic 程序設(shè)計(jì)[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[5] 鞏建華，孫秀梅，安 劍.Visual Basic學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6] JGJ 94—2008，建筑樁基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].