中美標準地基基礎沉降的荷載取值對比分析

張衛東

(中國能源建設集團浙江火電建設有限公司，杭州 310016)

0 引言

地基基礎沉降控制是地基基礎設計的一項內容，也是國際總承包工程中的一個重要考核指標，地基基礎沉降的荷載設計值，直接決定了地基基礎沉降量的計算結果，是沉降量計算的關鍵輸入參數之一。中國標準(以下簡稱“國標”)與電廠相關的地基基礎沉降荷載計算規范有《建筑地基基礎設計規范》[1](以下簡稱《基礎規范》)、《建筑結構荷載規范》[2](以下簡稱《荷載規范》)、《火電廠和核電廠常規島主廠房荷載設計技術規程》[3](以下簡稱《荷載規程》)、《火力發電廠土建結構設計技術規程》[4](以下簡稱《土規》)等，美國標準(以下簡稱“美標”)與地基基礎沉降荷載計算相關的規范為Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures[5](《建筑和其它構筑物最小設計荷載和相關標準》，以下簡稱“ASCE/SEI 7-16”)，中國標準和美國標準(以下簡稱“中美標準”)對建(構)筑物的板、梁、柱、基礎等荷載計算規定非常詳實和完善，但對與地基基礎沉降相關的荷載界定和計算方法尚有不清晰之處，特別是對荷載類型較多的工業項目，容易造成設計人員的計算差錯，對地基基礎方案造成不利影響，因此，對中美標準地基基礎沉降荷載計算原則和取值方法做進一步的分析研究是有必要的。

1 中美標準地基基礎沉降荷載計算規定

1.1 荷載定義

與地基基礎沉降相關的荷載為國標的永久荷載、可變荷載，美標為恒荷載(dead load)、活荷載(live load)，中美標準對其定義和劃分范圍見表1所列(為統一表達，后文將永久荷載、恒荷載統稱為“恒載”，將可變荷載、活荷載統稱為“活載”)。從表1可以看出，中美標準對恒載的定義基本一致，國標的活載為廣義定義，美標的活載為狹義定義。對于吊車荷載中美標準有所不同，國標將包括自重和起吊荷載合并為吊車荷載定義為活載，美標將吊車自重定義為恒載，額定起吊荷載定義為活載[5]。

表1 中美標準荷載定義和劃分表

1.2 荷載計算

1.2.1 荷載效應計算公式

《基礎規范》規定計算地基變形時采用準永久值組合時基礎底面處的附加應力，《荷載規范》規定準永久值組合效應設計值為：

式中：Sd為荷載組合的效應值，SGjk為按第j個永久荷載標準值Gjk計算的荷載效應值，ψqi為第i個可變荷載的準永久值系數，SQik為按第i個可變荷載標準值Qik計算的荷載效應值，m為參與組合的永久荷載數，n為參與組合的可變荷載數[2]。

ASCE/SEI 7-16規定沉降計算荷載組合為：

式中：D為恒荷載，L為活荷載。其中0.5相當于國標的準永久值系數。

1.2.2 電廠主廠房計算荷載的確定

長期來，語文教師已經形成了“點滴不漏”的“全景式”施教的教學思維與教學習慣，他們生怕自己的一點小疏忽會造成學生的大損失，于是用自己的“扎實”與“勤奮”對文本進行著詳盡的解讀，并從字詞句篇到語修邏文對學生進行周全的訓練，使語文課堂教學不但沒有“瘦身”，而且更加“肥胖”，致使一篇優美的文章常常被肢解得支離破碎，學生失去了閱讀的興趣。為此，我們需要從沒有主次、雜亂無章的教學狀態中解放出來，還語文教學簡約而又本真的面目，彰顯課堂的高效性。

中美標準對恒載的規定基本一致，直接取恒載標準值即可，電廠的活載可細分為樓面活載、屋面活載、雪荷載、吊車荷載、檢修荷載、施工荷載等，中美標對這些活載的取用規定見表2所列。

表2 中美標準活載取用規定表

從表2可以看出，中美標準的差異在于是否計算雪荷載，對于吊車荷載的規定需要進一步明確，國標的準永久值系數大于美標的活載系數，為美標的1.2倍。

2 中美標準地基基礎沉降活載計算對比

中美標準對恒載的定義基本一致，需要對比的部分為廣義活載的計算。某1 000 MW等級火電廠汽機房和某500 MW等級聯合循環燃機電站汽機房地基基礎沉降活載計算結果見表3所列。按所有設備和管道荷載均計入恒載考慮，國標樓面活載為2.0 kN/m2，美標樓面活載為1.92 kN/m2，中美標準樓面活載標準值區別不大。火電廠無雪荷載，燃機電站雪荷載為0.5 kN/m2。

表3 中美標準活載計算結果表

從表3可以看出，火電廠汽機房A列國標活載設計值為美標的1.50、2.10倍，B列為2.08、2.26倍，即國標計算結果為美標的2倍左右，主要原因是國標的屋面、樓面活載折減系數遠大于美標，即折減幅度較小。對于燃機電站單層汽機房，國標活載只有雪荷載一項，且荷載值很小，美標由于不考慮雪荷載，故設計值為0。

從表3也可以看出，中美標準在中柱位置差異最大，角柱相對較小，原因在于美標計算折減系數時考慮了從屬面積對折減的影響，從屬面積越大則折減越多，同時對角柱、邊柱、中柱也進行了不同的折減，角柱折減幅度最小，其次是邊柱和中柱，筆者判斷美標考慮了角部易有物品堆積這一情況，同理，邊柱比中柱也更易有物品堆積。這一計算方法值得國標借鑒。

3 荷載取值分析

3.1 關于樓面活載取值

《荷載規程》和《土規》規定“當工藝專業提供全部設備和管道荷載時，樓面活載可按2.0 kN/m2確定”，其中包括操作人員、一般工具、零星材料和成品自重。同時也規定當工藝專業提供主要設備和管道荷載時，樓面活載按表取用，所列活載指采用常規安裝和檢修措施時的樓面等效均布活載[3]，可以看出，表中的活載遠大于2.0 kN/m2，比如火電廠汽機房運轉層為40 kN/m2，參考規范中所列鄒縣四期運轉層檢修以外活載按10 kN/m2考慮，則檢修活載為30 kN/m2，而檢修荷載在地基基礎沉降計算時是不予考慮的，如果按表取用則A列邊柱、B列中柱單個基礎僅運轉層從屬面積貢獻的檢修活載就已達到2 400 kN，等于基礎荷載準永久值多計算了720 kN，除氧間多計算了450 kN，不應計入沉降計算的檢修荷載A列占總準永久值組合效應約22%、B列占20.5%，按照國標沉降計算公式，地基基礎沉降量與準永久組合值為線性關系，如果以國標200 mm允許沉降量為實際沉降量進行控制，則錯誤的計算結果約為A列244 mm、B列240 mm。

建議在地基基礎沉降計算時，即便工藝專業只提供了主要設備和管道荷載，也應對未提供的固定設備荷載進行估算，特別是運轉層，即使這種估算不是很準確，但因為有效剔除了檢修活載，計算結果只能更接近于沉降實際值。

3.2 關于吊車荷載

《荷載規范》規定“廠房排架設計時，在荷載準永久組合中可不考慮吊車荷載”，因為處于工作狀態的吊車，一般很少會持續地停留在某一個位置上，所以在正常條件下，吊車荷載的作用都是短時間的，這里的廠房排架設計既可以理解為包括基礎的整個排架結構體系，也可以理解為排架上部結構，在實際應用時易產生歧義。《土規》規定“在計算地基沉降時，僅計入主廠房吊車自重產生的荷載”。同時在條文說明中也指出“根據主廠房吊車使用效率不高，最大吊重使用頻率較低的實際情況，計算地基沉降時可不考慮吊重”。

這里存在兩個問題：《荷載規范》的準永久值組合中的吊車荷載是否包括吊車自重；《土規》中計入吊車自重，是否每個基礎都應將自重計入荷載組合。

《荷載規范》規定“吊車豎向荷載標準值應采用吊車的最大輪壓或最小輪壓”，因此吊車荷載應包括自重，條文說明認為當空載吊車經常被安置在指定的某個位置時，計算吊車梁的長期荷載效應按規定的準永久值采用，從前后文看，《荷載規范》只規定在計算吊車梁時才考慮自重。從土力學理論來說，如果在動荷載(如車輛、風、地震)作用時，反復荷載每一次作用的時間短暫，由于土骨架和土粒未被破壞，不發生不可恢復的殘余變形，只發生土骨架的彈性變形，部分土中水排出的壓縮變形、封閉土中氣的壓縮變形，都是可恢復的彈性變形。因此，對《荷載規范》可以解讀為計算地基基礎沉降時，在荷載準永久組合中可不考慮吊車荷載包括吊車自重，但對于吊車規定的停車位處的相關柱下基礎，則應考慮吊車自重。

《土規》中考慮吊車自重，也是基于上述考慮，但如果除了停車位以外的所有柱下基礎均按此考慮，會錯誤地造成基礎偏大甚至出現不必要的地基處理方案，同時也會使指定停車位和非停車位之間的基礎出現不利于結構安全和使用功能的沉降差，而沉降差的控制比沉降量的控制更為重要。以某燃機電站單層排架汽機房為例，該工程地基為飽和黏性土，吊車自重作用于柱最大軸壓力為540 kN，在基礎準永久值組合設計荷載中占比約25%，吊車停車位處地基基礎沉降量計算結果為182 mm，非停車位如果也按吊車自重計算則荷載將錯誤地增加36%，會造成基礎尺寸偏大，地基基礎沉降量實際上只有146 mm，相鄰基礎沉降差可達36 mm，已大于汽機房容許沉降差32 mm限值。

美標的計算規定則是對上述理論結果的證明，美標將吊車作為固定設備定義為恒載，因此美標計算沉降時并不存在上述問題。但美標并未說明類似電廠工作級別為A1-A3輕級工作制吊車的起吊荷載如何考慮，事實上按照美標的體系，工程師對此具有判定權力。

綜上所述，在國標計算時，建議除了吊車規定的停車位處相關柱下基礎應考慮吊車自重外，其它柱下基礎均不考慮吊車荷載包括吊車自重。

3.3 關于雪荷載

《荷載規范》規定“準永久值系數應按雪荷載分區Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的不同，分別取0.5、0.2和0”，在美標中雪荷載不屬于活載范疇，所以在美標地基基礎沉降計算中不考慮雪荷載。

由于雪荷載在嚴寒地區可能在汽機房屋面停留時間長達數月，很容易造成地基不可恢復的變形，因此國標對雪荷載的考慮是正確的，同時也可以看到國標也予以辯證處理，對不同地區的雪荷載作了區別對待。

建議在美標計算時，應考慮項目所在地的具體情況，將雪荷載納入計算活載中，以使沉降量的計算值接近實際沉降值，這在工程實踐中是被允許的，因為美標體系賦予了工程師更大的自由量裁權。同時，美標對沉降量的控制嚴于國標并且經常作為項目接收的考核條件之一，實事求是地考慮雪荷載對沉降量的影響是必要的。

3.4 關于樓面活載折減系數

《荷載規范》在民用建筑章節有樓面活載折減系數的規定，在工業建筑章節中未提及如何考慮，《荷載規程》和《土規》中對于工藝專業提供主要設備和管道荷載時，樓面活載折減系數按表取用，一般取值為0.6或0.7，但對于工藝專業提供全部設備和管道荷載時樓面折減系數如何取用未明確。

如上所述，當工藝專業提供全部設備和管道荷載時，樓面活載為2.0 kN/m2包括操作人員、一般工具、零星材料和成品自重，不包括比較大的檢修荷載，此時只能參考《荷載規范》民用建筑樓面活載折減系數為0.9。

4 結論

1)如果采用《荷載規程》或《土規》表取用活載值，以火電廠汽機房為例，不應計入沉降計算的檢修荷載導致的沉降計算結果偏差約為20%。雖然在設計過程中特別是在初步設計階段，要求工藝專業提供全部設備和管道荷載并不現實，但初步設計階段沉降控制對地基基礎方案影響較大，進行盡可能詳實的準確計算是必要的，建議在工藝專業提供主要設備和管道荷載基礎上，根據類似工程經驗對未提供荷載的設備和管道等固定設備進行估算，保證準永久值組合結果的真實性，從而確定合理正確的地基基礎方案。

2)若所有基礎均考慮吊車自重，則規定停車位處基礎與相鄰基礎事實上會出現明顯的不必要的沉降差，甚至可能超過容許沉降差，并且將人為導致地基基礎工程量的增加。建議行業規范明確地基基礎沉降計算時不考慮吊車荷載包括自重，但在規定的吊車停車位處相關柱下基礎應考慮吊車自重。

3)雖然美標未明確地基基礎沉降計算時是否考慮雪荷載，但在美標計算時，建議考慮項目所在地的具體情況，必要時將雪荷載納入計算荷載中。

4)建議相關規范中明確工藝專業提供全部設備和管道荷載時樓面活載折減系數取用規定，筆者暫建議參考《荷載規范》民用建筑活載折減系數取為0.9。

5)根據某火電廠汽機房的計算結果，國標的準永久活載設計值為美標的2倍左右，主要原因是折減系數的差異。

6)美標活載折減系數的計算方法值得國標借鑒。