大埋深地下式矩形泵房優化設計

王植林

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司南京分院，江蘇 南京 210012）

0 引言

地下式矩形泵房是一種常見的給排水構筑物，通常分干式泵房和濕式泵房，平面形狀分為圓形和矩形，一般埋設于地面以下，深度從幾米到幾十米不等。根據工程需要，矩形泵房更有利于工藝設備的布置。與傳統民用建筑地下室相比，泵房一般為地下一層結構，根據設備安裝需要，中間無法設置樓板，頂板部分也只能在局部設置樓板，埋深較大時，壁板及底板受力較大。對矩形泵房進行合理的受力分析，有助于最優設計方案的確定，這樣可有效節約工程造價。

以往給水排水構筑物一般按照《給水排水工程結構設計手冊（第二版）》[1]中的計算方法進行設計，先將結構拆解成二維彈性板構件，再逐個采用查表法或者利用理正工具箱等軟件進行設計，一般不考慮構件之間的內力重分配，在復雜水池計算分析時有一定的局限性。隨著近幾年軟件的不斷發展，出現了盈建科、理正復雜水池等有限元計算軟件，在結構建模、水池荷載輸入、多格水池荷載組合、結果提取等方面針對水池類結構作了諸多優化，相比一些通用有限元軟件使用更為順手，工作效率大大提高，為設計人員對水池類結構三維整體有限元分析提供了便利，這樣可更加準確地分析結構受力，進行更合理的設計。本文結合實際案例，對大埋深地下式矩形泵房進行三維整體有限元計算優化設計作一探析。

1 工程概況

南京某水源廠取水規模為21萬t/d，取水泵房與吸水井采用分建方式，泵房為干式泵房，安裝6臺臥式軸流泵。平面尺寸為34.7m×12.2m，設計埋深為10.7m。下部為一層鋼筋混凝土地下室，上部為單層框架結構，坡屋面，主框架跨度為11.6m，柱距5.7m，層高為9.0m（見圖1）。泵房內設橋式起重機一臺，起吊重量為10t。混凝土強度等級為C30，抗滲等級P8。裂縫控制等級為二級，泵房下部最大裂縫寬度為0.20mm。泵房底板位于⑤1層全風化凝灰巖，fak=230kPa，直接利用其作為基礎持力層。抗浮設計水位為地面以下0.5m，利用結構自重及覆土進行抗浮。

2 頂板設計考慮的問題

泵房正負零標高樓板，為了保證安裝和檢修時水泵及其他設備起吊，水泵安裝位置正上方均需大面積開孔，無法全部設置樓板，僅在泵房長方向端部設置一定面積的樓板作為檢修平臺，并在沿長方向兩側設置走道板，便于通行，同時利用走道板作為泵房下部壁板的支承構件，改善壁板受力。設計時使走道板具有足夠的平面內剛度，滿足《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》[2]中ng≥0.25×m4（HB/b），（式中ng為走道板橫截面慣性矩與池壁截面慣性矩的比值，m為走道板水平向計算跨度與池壁高度的比值，HB為池壁高度，b為池壁計算寬度取1m），這樣走道板就可作為池壁的不動鉸支座，受力更為清晰明確。走道板厚度不小于200mm，并對其橫向受力進行計算。

3 泵房壁板分析及設計

泵房壁板位于地面以下，主要承受地下水壓力、土壓力，泵房埋深較大，承受側壓力較大。如將X方向壁板按整塊大板設計，板的尺寸達34.2m×10.2m，壁板長度較大，無法利用走道板作為不動鉸支承作用，按三邊固定、上邊自由計算，X方向壁板豎向根部彎矩達到2180kN·m，為滿足承載力和正常使用要求，壁板設計厚度需要1600mm，不是很合理。為優化壁板受力，結合上部柱網布置在泵房下部設置壁柱，同時在扶壁柱的中部和頂部設置對稱梁，形成底框架，將壁板分隔成若干塊小壁板，這樣大大減小了壁板的受力。

3.1 構件查表計算

泵房X方向池壁被扶壁柱分隔成六塊壁板，單塊壁板尺寸LB=5.7m，LH=10.3m，每塊壁板可采用構件查表計算，規范和設計手冊對扶壁柱的剛度并無明確要求，一般假定壁柱作為壁板的支承端，根據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》（CECS 138:2002）[2]，LB/LH=0.55，按三邊固定，頂板簡支的雙向彈性板進行計算，采用查表法，壁板計算簡圖及基本組合下內力設計值如圖2所示。

圖2 計算簡圖及結果

3.2 有限元整體計算

實際壁板扶壁柱剛度有限，會發生一定的變形，一般扶壁柱無法完全作為壁板的支承邊界[3]，扶壁柱的支撐剛度會對壁板內力產生影響，采用有限元整體計算時可以考慮這種影響。采用盈建科建筑結構計算軟件（YJK-A）進行三維有限元整體建模計算，樓板、壁板以及底板采用殼單元，扶壁柱采用實體單元，其余梁、柱采用梁單元；采用線彈性本構模型，彈性模量EC=3.00×104MPa。網格劃分尺寸為0.5m，計算模型如圖3所示。

圖3 泵房三維計算模型

以泵房X方向為例，扶壁柱間距為5.7m，壁板凈高為10.3m，壁厚600mm，分別取壁柱尺寸為600mm×1500mm、600mm×2000mm、600mm×2500mm時對壁板內力進行分析，壁板水平、豎向彎矩計算結果如圖4所示。

圖4 壁板水平、豎向彎矩（單位：kN·m）

3.3 結果對比及分析

根據以上計算，邊壁板及中間壁板主要彎矩計算結果匯總如表1、表2所示。

表1 邊壁板彎矩計算結果對比

表2 中間壁板彎矩計算結果對比

從對比結果可知，構件查表計算與有限元整體計算有一定的差異。構件查表計算時，不區分邊壁板和中間壁板不同的支承條件，按相同的計算結果考慮，實際邊壁板一側受到Y方向壁板的支承，剛度遠大于扶壁柱剛度，因此邊壁板與中壁板內力會有差異。總體來看，構件查表計算水平向彎矩較有限元計算結果大，豎向彎矩較有限元算法計算結果小，特別是豎向支座彎矩相差可達1倍。

采用有限元整體計算，壁板內力隨扶壁柱剛度的變化而變化。扶壁柱剛度增大時，邊壁板與y向壁板連接側水平支座彎矩變小，扶壁柱支承側水平支座彎矩變大，當扶壁柱剛度大到一定程度時兩者趨于一致；水平跨中彎矩略微變大；豎向彎矩均有變小趨勢。對于中壁板，扶壁柱剛度增大時，水平向彎矩均增大，豎向彎矩均變小。

有限元整體計算時考慮了構件之間的相互協調變形和內力傳遞，較構件查表計算更符合實際情況。扶壁柱剛度對壁板內力有一定影響，但在上述截面試算范圍內，影響幅度有限，在10%～35%之間，并趨于規律變化，考慮扶壁柱截面尺寸過大，可能會影響內部空間布置，設計最終取扶壁柱截面尺寸為600mm×1500mm，并采用有限元整體計算結果進行配筋設計。

4 底板設計比選

泵房建設場地地質條件較好，利用天然地基作為持力層，地下水位較高，底板承受地基反力和地下水浮托力作用，從結構受力、經濟性、施工便利性等方面綜合考慮，底板設計可以采用梁板式和平板式2種方案。計算時采用彈性地基梁板法，基床反力系數取30000MN/m。

4.1 梁板式方案

為減小底板受力，在壁板扶壁柱位置對應設置向下突出底板的地梁，高800mm×2000mm，底板厚度取700mm，此時底板厚度較小，自重較輕，為滿足抗浮要求，底板飛邊外挑1.5m。介于篇幅，本文僅給出底板X、Y方向板面最大彎矩計算結果，如圖5所示。

圖5 梁板式方案的底板彎矩圖（單位：kN·m）

從計算結果得知，底板截面設計時，不考慮應力集中處，主要彎矩控制設計值分別為Mx0=-501kN·m，Mx=231kN·m，My0=-460kN·m，My=307kN·m；地梁跨中包絡彎矩控制設計值為M=-4455kN·m。

4.2 平板式方案

底板采用等厚度底板，為滿足受力及抗浮要求，底板厚度1300mm，底板厚度自重較大，飛邊外挑可適當減小，取為1.0m，可滿足抗浮要求。介于篇幅，本文僅給出底板X、Y方向板面最大彎矩計算結果，如圖6所示。

圖6 平板式方案的底板彎矩圖（單位：kN·m）

從計算結果得知，不考慮扶壁柱根部處的應力集中，底板包絡彎矩設計值分別為Mx0=-720kN·m，Mx=480kN·m，My0=-640kN·m，My=1051kN·m。

4.3 方案比選

根據上述內力計算結果，進行截面設計，對比如表3所示。

表3 底板設計比選表

從受力上來說，梁板式方案，底板受力較為明確，扶壁柱處設置地梁，改善了扶壁柱根部的受力，而平板式方案扶壁柱根部在底板處應力集中，受力較為不利，對應位置需增設暗梁加強；從施工上來說，平板式方案施工較為方便快捷，但介于底板厚度較大，基坑整體深度稍大，梁板式方案，需在底板下開挖地梁溝槽，制作地梁，施工工序較多，工期稍長，但本工程地質條件較好，實施較為方便；從造價上來說，梁板式方案混凝土用量、鋼筋用量、土方開挖量均低于平板式方案，底板總體造價節省約20萬元。綜合考慮經濟性及施工可行性，最終選擇梁板式方案。

5 結束語

通過對大埋深地下式矩形泵房相關結構設計問題的分析比較，得出以下主要結論：

（1）隨著有限元軟件的快速發展，建議類似給排水結構采用有限元整體計算，可考慮構件間的相互作用及變形協調，計算結果更接近實際情況，配筋設計更為安全合理。

（2）一般扶壁柱無法完全作為壁板的支承邊界，且扶壁柱剛度對壁板內力有一定影響，建議在保證扶壁柱一定剛度的情況下，采用三維整體有限元計算壁板內力。

（3）對于大埋深矩形泵房，底板平板式設計受力較大，材料用料較多，梁板式結構設計方案經濟性更好，在地質條件較好的情況下有一定優勢。