火電項(xiàng)目大型地下輸煤廊道設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究

姚 意，鄧義虎，李 偉

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040)

輸煤廊道作為一種常規(guī)地下結(jié)構(gòu)，在大中型燃煤電廠工程中普遍存在，通常由于其埋深較大且水土作用較為復(fù)雜，如按常規(guī)方案設(shè)計(jì)，廊道的計(jì)算跨度偏大，使得頂板和底板的設(shè)計(jì)厚度較大，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)混凝土方量和鋼筋用量均較大，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性不高。然而，業(yè)內(nèi)對(duì)地上結(jié)構(gòu)有效減少混凝土方量的研究較多，而對(duì)地下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究還不完善。

目前，國內(nèi)針對(duì)地下輸煤廊道的研究有所涉及但還不是很全面。吉春明，凌峰，許寧[1]等對(duì)地下廊道周圍土體壓力的計(jì)算方法做了詳細(xì)分析；盛軼麗[2]通過比較封閉箱形和封閉箱形中間加隔墻兩種設(shè)計(jì)方案，得出后者的內(nèi)力較小、結(jié)構(gòu)方案更合理的結(jié)論。

在貴州元豪發(fā)電項(xiàng)目中，在設(shè)計(jì)與汽車卸煤溝相接的一段雙路帶式輸送機(jī)地下輸煤廊道時(shí)，工程組提出一個(gè)優(yōu)化設(shè)想：在不影響輸煤皮帶運(yùn)行的情況下，在廊道中間設(shè)置一排支柱；同時(shí)沿廊道縱向在頂板和底板跨中各設(shè)一道梁，使頂板及底板與該梁均形成梁板式結(jié)構(gòu)體系。通過和常規(guī)設(shè)計(jì)方案——封閉箱形結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明此方案有效減小了頂板及底板的計(jì)算跨度，從而大大減少混凝土和鋼筋用量，最終達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。

1 工程背景概述

貴州興義元豪發(fā)電有限公司新建2×350 MW機(jī)組工程位于貴州省興義市，位于貴州省西南部，地處黔、滇、桂三省(區(qū))結(jié)合部中心地帶，地理位置十分優(yōu)越，屬于低緯度高海拔地帶，興義市境內(nèi)地勢(shì)西北高，東南低，山巒起伏，河流縱橫，喀斯特地貌發(fā)育十分良好。

該地下輸煤廊道按埋深分為兩段，中間用變形縫隔開，選取埋深較大的一段20 m長(zhǎng)的廊道作為研究對(duì)象，并按照原設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案分別計(jì)算混凝土方量和鋼筋用量。該段廊道凈寬：9 m；凈高：2.83 m；廊道頂板標(biāo)高：-5.2 m；室外地坪：-0.3 m；地下水位標(biāo)高：-1.3 m[3]。

根據(jù)該地下廊道的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)，首先分析其在地下的水土合算作用，計(jì)算廊道頂板和底板的水土壓力作用；然后再根據(jù)兩種設(shè)計(jì)方案分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的混凝土方量和鋼筋用量，并通過對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，確定設(shè)想設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越性。這對(duì)今后針對(duì)該類型的地下廊道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很好的指導(dǎo)意義。

2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析

本文主要通過計(jì)算覆土壓力及地下水作用，得出廊道四周的分布荷載狀態(tài)，然后通過MIDAS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模分析，得出該地下廊道結(jié)構(gòu)的常規(guī)通用設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布。

常規(guī)設(shè)計(jì)方案為封閉箱型結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為基于封閉箱型結(jié)構(gòu)，在中間設(shè)置一排支柱，并同時(shí)在柱頂和柱底沿廊道縱向各設(shè)一道剛性縱梁[4]。圖1、2分別表示利用MIDAS對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案建模后的成果。

2.1 常規(guī)設(shè)計(jì)方案水土作用計(jì)算

廊道頂面壓力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖1 常規(guī)設(shè)計(jì)方案圖

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案圖

圖3 常規(guī)設(shè)計(jì)方案水土作用示意圖

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案水土作用計(jì)算

廊道頂面壓力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

2.3 結(jié)構(gòu)有限元分析

在MIDAS軟件模型中添加計(jì)算得出的水土作用力，并將底板水土作用擬定為彈性地基，通過計(jì)算結(jié)果調(diào)整板厚及梁柱截面，兩種方案截面最終取值如下：

常規(guī)方案：廊道凈寬9 m，凈高2.83 m，側(cè)壁厚度0.8 m，頂板厚度0.9 m，底板厚度1.0 m。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：廊道凈寬凈高同常規(guī)方案，側(cè)壁厚度0.4 m，頂板厚度0.5 m，底板厚度0.5 m，廊道中間支柱截面尺寸(b×h)：0.5 m×0.5 m，廊道跨中剛性縱梁截面尺寸(b×h)：0.6 m×0.8 m。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案水土作用示意圖

計(jì)算得出結(jié)構(gòu)內(nèi)力。圖5、圖6分別表示兩種設(shè)計(jì)方案下的板單元內(nèi)力分布。

通過查看兩種方案的板單元內(nèi)力，分析對(duì)比表明：優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，結(jié)構(gòu)板單元內(nèi)力幅值更小，受力更合理，一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

圖5 常規(guī)設(shè)計(jì)方案板單元內(nèi)力(彎矩值)分布圖

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案板單元內(nèi)力(彎矩值)分布圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程量統(tǒng)計(jì)

3.1 兩種方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元分析結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)變形要求的情況下，統(tǒng)計(jì)出兩種設(shè)計(jì)方案的混凝土方量及鋼筋耗量。

3.1.1 常規(guī)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)矩形截面的受力特點(diǎn)，廊道采用對(duì)稱配筋方案，并將板負(fù)彎矩筋錨固延長(zhǎng)至1/4跨，充當(dāng)相鄰板的負(fù)彎矩筋，以此節(jié)省鋼筋。配筋如圖7所示。

圖7 常規(guī)設(shè)計(jì)方案采用的配筋圖

3.1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

由于廊道水土作用較大，造成頂板及底板較厚，而縱向梁的剛度相對(duì)較小，頂板及底板均不能形成單向板[5]。因此在支柱周圍1.5 m×1.5 m的方形區(qū)域加強(qiáng)配筋，其余位置鋼筋仍按照原方式配置，滿足結(jié)構(gòu)安全性要求即可。非加強(qiáng)區(qū)域和加強(qiáng)區(qū)域的配筋方案如圖8和圖9所示。

3.2 常規(guī)方案的混凝土方量和鋼筋量

3.2.1 常規(guī)方案的混凝土方量計(jì)算

根據(jù)板厚統(tǒng)計(jì)混凝土用量，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖8 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案中非加強(qiáng)區(qū)域采用的配筋圖

圖9 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案中加強(qiáng)區(qū)域采用的配筋圖

表1 常規(guī)方案混凝土方量表 m3

3.2.2 常規(guī)方案的鋼筋量計(jì)算

根據(jù)鋼筋構(gòu)造及分布，分別計(jì)算廊道頂板，底板，側(cè)壁內(nèi)外側(cè)的受力鋼筋和分布鋼筋的鋼筋量，匯總結(jié)果如表2所示。

表2 常規(guī)方案鋼筋量表 t

3.3 優(yōu)化方案的混凝土方量和鋼筋量

3.3.1 優(yōu)化方案的混凝土方量計(jì)算

該方案中除了板的混凝土量計(jì)算，還需計(jì)入梁、柱混凝土量，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化方案混凝土方量表 m3

3.3.2 優(yōu)化方案的鋼筋量計(jì)算

根據(jù)本方案的特點(diǎn)，除了計(jì)算廊道頂板，底板，側(cè)壁內(nèi)外側(cè)的受力鋼筋和分布鋼筋的鋼筋量，還需計(jì)入梁柱縱筋及箍筋，匯總結(jié)果如表4所示。

表4 優(yōu)化方案鋼筋量表 t

4 研究結(jié)果分析

4.1 兩種設(shè)計(jì)方案的結(jié)果分析

常規(guī)設(shè)計(jì)方案中，廊道各組成部分混凝土方量的構(gòu)成比例如圖10所示；廊道各組成部分鋼筋用量的構(gòu)成比例如圖11所示。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，廊道各組成部分混凝土方量的構(gòu)成比例如圖12所示；廊道各組成部分鋼筋用量的構(gòu)成比例如圖13所示。

圖10 常規(guī)設(shè)計(jì)方案混凝土方量構(gòu)成圖

圖11 常規(guī)設(shè)計(jì)方案鋼筋用鋼量構(gòu)成圖

圖12 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案混凝土方量構(gòu)成圖

圖13 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案鋼筋用鋼量構(gòu)成圖

4.2 兩種設(shè)計(jì)方案的結(jié)果對(duì)比分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，常規(guī)設(shè)計(jì)方案中廊道混凝土總方量為493.4 m3，鋼筋總用量為65.2 t；優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中廊道混凝土總方量為263.7 m3，鋼筋總用量為35.4 t。

經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，混凝土總方量減小了約47%；鋼筋總用量減小了約46%。兩種設(shè)計(jì)方案下的混凝土方量和鋼筋用量的對(duì)比如圖14所示。

圖14 兩種設(shè)計(jì)方案下的混凝土方量和鋼筋用量的對(duì)比圖

產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因在于：

1)在常規(guī)設(shè)計(jì)方案中，由于廊道頂板和底板的計(jì)算跨度較大，且地下水土作用較為復(fù)雜，造成的板單元內(nèi)力過大，因此頂板及底板的設(shè)計(jì)厚度取值較大，混凝土方量較大，鋼筋耗量也隨內(nèi)力過大而升高。側(cè)壁本身計(jì)算高度較小，但因頂板及底板兩側(cè)固結(jié)連接的要求，壁厚取值隨之增大，同樣會(huì)造成混凝土方量和鋼筋用量加大，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較低。

2)在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中，廊道外側(cè)水土作用與常規(guī)設(shè)計(jì)方案一致，但由于在頂板和底板中間各增設(shè)一道剛性縱梁，且于中間每隔5 m增設(shè)1根支柱，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)變?yōu)榱喊迨浇Y(jié)構(gòu)體系，有效減小了頂板及底板的計(jì)算跨度，使得板單元內(nèi)力大大減小，那么板厚和鋼筋量也會(huì)隨之減小。即使增加的梁和柱會(huì)導(dǎo)致混凝土方量和鋼筋量會(huì)有一部分的增加，但通過對(duì)比分析可以看出，梁柱在廊道設(shè)計(jì)中混凝土量?jī)H為22.4 m3，鋼筋總量?jī)H4.3 t，二者與常規(guī)方案減少的混凝土和鋼筋量比小之又小。

綜上所述，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案較之常規(guī)設(shè)計(jì)方案，廊道增設(shè)了梁柱相關(guān)構(gòu)件，在一定程度上增加了施工的繁雜程度，但混凝土量和鋼筋量均節(jié)約了接近50%，造價(jià)降低十分明顯。

5 結(jié) 語

本文依托實(shí)際工程，對(duì)地下廊道的優(yōu)化進(jìn)行了一次嘗試，效果十分理想。在今后涉及地下輸煤廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程中，可以根據(jù)工程的實(shí)際情況，將本次優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行推廣應(yīng)用。

本此優(yōu)化設(shè)計(jì)的成果也可拓展應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案比選，對(duì)于類似工程設(shè)計(jì)具有較好的理論指導(dǎo)作用和參考意義。