排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載的計(jì)算

戴海旭

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

尾礦庫(kù)設(shè)置排水系統(tǒng)，可以及時(shí)排除庫(kù)內(nèi)降雨形成的洪水，以確保尾礦庫(kù)的安全，因此排水系統(tǒng)對(duì)尾礦庫(kù)的安全起著至關(guān)重要的作用。較為常見(jiàn)的排水系統(tǒng)是“井- 管”式排水系統(tǒng)，而排水井是“井- 管”式排水系統(tǒng)的重要組成部分，因此需要合理地計(jì)算和設(shè)計(jì)排水井。通過(guò)洪水計(jì)算、調(diào)洪演算確定排水井的直徑及高度等基本尺寸之后，就可以對(duì)排水井進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。排水井屬于高聳結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行前期，風(fēng)荷載對(duì)排水井影響最大，因此在排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如何計(jì)算確定好風(fēng)荷載至關(guān)重要。

1 排水井的基本尺寸

排水井主要有四種形式，窗口式排水井、框架式排水井、砌塊式排水井和井圈疊裝式排水井，排水井形式示意圖如圖1所示。

圖1 排水井形式示意圖

目前應(yīng)用較普遍的是窗口式排水井和框架式排水井，均為整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本文所述內(nèi)容適用于窗口式排水井和框架式排水井，不適用于砌塊式排水井和井圈疊裝式排水井。

排水井由井身和井座兩部分組成，井身為進(jìn)水部分，井座是排水井與排水管銜接的部分。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，需先通過(guò)尾礦庫(kù)的洪水計(jì)算及調(diào)洪演算，從工藝和功能要求上確定排水井的基本尺寸，如排水井的高度H1、井身內(nèi)徑D1、井座內(nèi)徑D2和井座滿(mǎn)足消能要求的最小深度H2，如圖2所示，進(jìn)而結(jié)合這些基本尺寸，對(duì)排水井進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其兼具功能性、安全性與經(jīng)濟(jì)性。

圖2 排水井基本尺寸

2 排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本理念

排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于不同的設(shè)計(jì)工況，當(dāng)用內(nèi)力的形式表達(dá)時(shí)，排水井結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用下列承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式[1]。

γ0S≤R

(1)

式中γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

S—承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

R—結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

不論排水井整體結(jié)構(gòu)還是局部構(gòu)件，都可通過(guò)公式(1)所表示的承載能力極限狀態(tài)計(jì)算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常意義上，S為外界荷載在不同工況下合理組合后對(duì)排水井結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所產(chǎn)生的拉、壓、彎、剪、扭等作用效應(yīng)的設(shè)計(jì)值，而R為排水井結(jié)構(gòu)或構(gòu)件自身所具有的抗拉、抗壓、抗彎、抗剪、抗扭等抗力設(shè)計(jì)值。排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，即為在保證排水井抗力設(shè)計(jì)值能滿(mǎn)足各種最不利工況荷載作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值的前提下，使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理。以上為排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理念，這個(gè)理念將貫穿整個(gè)排水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的始終。

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0依據(jù)設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行劃分，見(jiàn)表1[2]。

表1 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)劃分表

對(duì)于常見(jiàn)的排水井，設(shè)計(jì)使用年限一般在5～50年之間，所以結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1.0即可。

排水井的抗力設(shè)計(jì)值R與混凝土結(jié)構(gòu)的配筋形式關(guān)系密切，不在本文討論范圍內(nèi)，本文重點(diǎn)討論計(jì)算排水井所受風(fēng)荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)值S的計(jì)算。

3 排水井受荷分析

排水井屬于高聳結(jié)構(gòu)，所受的荷載有自重、尾礦壓力、澄清水壓力、風(fēng)荷載和地震荷載(當(dāng)場(chǎng)地設(shè)防烈度大于6度時(shí))。排水井不同運(yùn)行時(shí)期、不同工況下，設(shè)計(jì)計(jì)算的對(duì)象不同，荷載效應(yīng)組合的形式也不同，一般分為運(yùn)行初期和運(yùn)行終期兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析，而風(fēng)荷載在運(yùn)行初期對(duì)排水井的作用效應(yīng)最明顯，所以本文僅考慮運(yùn)行初期的排水井。

運(yùn)行初期，排水井已建成但未投產(chǎn)使用，對(duì)于場(chǎng)地設(shè)防烈度不大于6度的地區(qū)，排水井所受的水平荷載只有風(fēng)荷載，在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用下，排水井受力形式如圖3所示。

圖3 排水井風(fēng)荷載受力形式

因?yàn)轱L(fēng)荷載是可變荷載，所以排水井所受風(fēng)荷載的效應(yīng)設(shè)計(jì)值S應(yīng)按公式(2)確定：

S=γQSk

(2)

式中S—承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；

Sk—承載能力極限狀態(tài)下作用組合的效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；

γQ—風(fēng)荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.4。

對(duì)于排水井結(jié)構(gòu)計(jì)算，Sk通常為彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和剪力標(biāo)準(zhǔn)值，而計(jì)算彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和剪力標(biāo)準(zhǔn)值最重要的是確定風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk。

4 排水井所受風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk的確定

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]及《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，垂直于排水井表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按公式(3)確定：

ωk=βzμsμzω0

(3)

式中ωk—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

βz—高度z處的風(fēng)振系數(shù)；

μs—風(fēng)荷載體型系數(shù)；

μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

ω0—基本風(fēng)壓，kN/m2。

通過(guò)以上公式可以看出，計(jì)算排水井所受的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值需要確定4個(gè)參數(shù)值：βz、μs、μz、ω0，其中，基本風(fēng)壓ω0根據(jù)規(guī)范附錄所帶的《全國(guó)各城市的雪壓、風(fēng)壓和基本氣溫表》或各地的手冊(cè)可查詢(xún)得出；風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz根據(jù)排水井所在地區(qū)的地面粗糙度結(jié)合排水井的高度也可得出，同時(shí)根據(jù)排水井所處山峰或山谷的不同位置需乘以相應(yīng)的系數(shù)，這在規(guī)范中都有明確的說(shuō)明。而風(fēng)振系數(shù)βz和風(fēng)荷載體型系數(shù)μs需經(jīng)過(guò)演算推導(dǎo)才可得出，這也是計(jì)算排水井風(fēng)荷載的關(guān)鍵所在，下面分別就這兩個(gè)系數(shù)的演算推導(dǎo)進(jìn)行論述。

4.1 風(fēng)振系數(shù)βz

對(duì)于高度大于30 m且高寬比大于1.5的結(jié)構(gòu)，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各種高聳結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮風(fēng)壓脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生順風(fēng)向風(fēng)振的影響，否則風(fēng)振系數(shù)βz=1，因此需要確定排水井的高度H和基本自振周期T1，而排水井的高度是一定的，此處重點(diǎn)需要確定排水井的基本自振周期T1。

因?yàn)闆](méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)排水井基本自振周期的計(jì)算公式，因此需根據(jù)常規(guī)公式進(jìn)行演算推導(dǎo)，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄F：

F.1.1 一般高聳結(jié)構(gòu)的基本自振周期，鋼結(jié)構(gòu)可取下式計(jì)算的較大值，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可取下式計(jì)算的較小值；

T1=(0.007～0.013)H

(F.1.1)

式中H—結(jié)構(gòu)的高度，m。

F.1.2 煙囪和塔架等具體結(jié)構(gòu)的基本自振周期可按下列規(guī)定采用：

煙囪的基本自振周期可按下列規(guī)定計(jì)算：

(1)高度不超過(guò)60 m的磚煙囪的基本自振周期按下式計(jì)算：

(F.1.2-1)

(2)高度不超過(guò)150 m的鋼筋混凝土煙囪的基本自振周期按下式計(jì)算：

(F.1.2-2)

(3)高度超過(guò)150 m，但低于210 m的鋼筋混凝土煙囪的基本自振周期按下式計(jì)算：

(F.1.2-3)

式中H—煙囪高度，m;

d—煙囪1/2高度處的外徑，m。

一般排水井是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)公式(F.1.1)，應(yīng)取較小值，而排水井并非封閉結(jié)構(gòu)，相對(duì)一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，排水井結(jié)構(gòu)剛度更小，柔度更大，所以實(shí)際計(jì)算時(shí)取值可適當(dāng)取大點(diǎn)，但不能超過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的取值。同理，根據(jù)公式(F.1.2)計(jì)算得出的基本自振周期值同樣需適當(dāng)取大點(diǎn)。

根據(jù)以上公式結(jié)合實(shí)際情況得出基本自振周期T1后，即可根據(jù)規(guī)范中的相關(guān)公式求出風(fēng)振系數(shù)βz。

4.2 風(fēng)荷載體型系數(shù)μs

排水井不是封閉結(jié)構(gòu)，與煙囪及高層建筑等高聳結(jié)構(gòu)在受力上并不完全等同，且排水井結(jié)構(gòu)通常只用于尾礦庫(kù)的排洪，使用范圍較小，所以?xún)杀疽?guī)范中均沒(méi)有針對(duì)性的風(fēng)荷載體型系數(shù)μs值，需要根據(jù)相似情況進(jìn)行合理推導(dǎo)。《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了懸臂結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)體型系數(shù)的取值，見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)荷載體型系數(shù)μs

排水井是圓形結(jié)構(gòu)，但因其不是封閉結(jié)構(gòu)，故不能簡(jiǎn)單套用規(guī)范中圓形結(jié)構(gòu)的系數(shù)取值。排水井井身有較多泄水孔洞，根據(jù)垂直于井身的投影圖，直接承受風(fēng)壓的面積并沒(méi)有減少多少，反而因?yàn)榭锥吹脑龆啵箽饬髁鲬B(tài)變差，可能會(huì)對(duì)排水井的受力產(chǎn)生更不利的影響，所以建議按正多邊形的取值范圍進(jìn)行取值，偏于安全。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，已確定計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值所需的各個(gè)參數(shù)值，根據(jù)公式可得出風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值ωk，結(jié)合前面章節(jié)內(nèi)容即可求出風(fēng)荷載對(duì)排水井作用的效應(yīng)設(shè)計(jì)值，進(jìn)而可對(duì)排水井結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

以上排水井所受風(fēng)荷載的計(jì)算方法，在實(shí)際工程中的排水井結(jié)構(gòu)計(jì)算和設(shè)計(jì)中已成功運(yùn)用，所設(shè)計(jì)的排水井已安全運(yùn)行至今，此計(jì)算方法可供今后排水井的計(jì)算和設(shè)計(jì)參考與借鑒。