YJK 在水利工程泵站上部框架結構設計中的應用

桂冰登

（江西省水利水電建設集團有限公司，江西 南昌 330200）

1 概述

針對板、梁、柱等桿系結構的設計，以往的做法是將復雜三維空間結構離散化為單體結構借助理正結構工具箱或其他工具進行簡化計算，雖然在一定程度上能滿足設計規范要求，但這并不能反映結構的真實受力情況，而且設計效率低。另一方面，一些計算工具未開放部分參數的設置，僅提供一些粗略的計算模型，最終導致結構設計不合理，甚至造成安全隱患。近年來，隨著計算機軟硬件技術的發展，運用結構分析軟件進行結構計算已成為主流。為適應我國基礎設施建設的步伐，提高水利工程的設計效率及設計產品質量，大多數工程設計人員基于中國建筑科學研究院推出的PKPM 和YJK 軟件提出多種改進措施。如文獻[1-3]直接將PKPM 軟件運用于水工建筑物的結構設計，然而忽略了混凝土結構設計規范和水工鋼筋混凝土結構設計規范之間的差異性；文獻[4]分析了周期折減系數、連梁剛度折減系數、中梁剛度放大系數對鋼筋混凝土配配筋率的影響；文獻[5，6]提出在PKPM 中進行數據交互，給每項荷載乘修正系數，然后再在配筋面積上乘修正系數，確保結構的安全裕度；文獻[7]通過修改軟件參數，經多次試算使配筋結果與常規計算結果大致接近，最終選擇一組合適的參數再進行計算；文獻[8]通過對PKPM 進行分析，將配筋面積乘系數作為配筋依據；文獻[9]運用PKPM、YJK 對框架結構的計算結果進行對比分析；文獻[10]基于YJK分析結構計算的參數設置，以使結構配筋合理；文獻[11]運用PKPM 與YJK 比較剪力墻沖切承臺計算；文獻[12]分析了梁柱活荷載折減在YJK 和PKPM中的差異。遺憾的是，這些改進措施都未能使分析結果完全滿足水工混凝土結構設計規范的要求。為此，基于YJK 軟件，結合多年以來的使用經驗介紹在其水利工程泵站上部結構設計中相關參數的設置及計算指標的分析，并結合實例驗證其實用性。

2 工程概況

某排澇泵站共布置3 臺機組，設計流量11.0 m3/s，單機設計流量為3.67 m3/s，設計揚程3.7 m，總裝機容量1140 kW，為堤后式布置。排澇泵站由進水前池、主廠房、副廠房、壓力水箱、箱涵和出口消能段等建筑物組成。

排澇泵站為濕式型，由主廠房和副廠房組成。5.5 m 高程以下為大體積混凝土結構，5.5 m 高程以上為框架結構。主廠房長（順水流方向）24.6 m，寬19.1 m，由下而上分別為流道層、水泵層與設備層。設備層以中墩與邊墩作支撐。流道層接進水池，流道層閘墩長5.0 m，采用一泵一室的布置形式，水泵為立式軸流泵，進水池底檻高程為-5.2 m，閘墩頂高程為5.5 m，每室設一道固定式攔污柵，采用人工方式清污；水泵層長（順水流方向）9.05m，高程為1.3 m，四面為C25 鋼筋混凝土墻，墻頂高4.2 m；共安放3 臺潛水軸流泵，機組間距為5.7 m，水泵接出水鋼管，鋼管中心線高程3.0 m；設備層高程7.8 m，泵房段順水流向長8.65 m，安放電氣設備，并設中控室。機組間距5.7 m，出水鋼管中心高程3.0 m。廠內起重設備采用10 t 懸掛式起重機，起重機梁頂高程為12.8 m。

副廠房主要為安裝間和卸柵平臺，位于主泵房左側，緊靠主泵房，順水流方向長23.6 m，寬6.5 m，安裝間底板高程為5.5 m，與室外地面同高。卸柵平臺位于安裝間上游，與主廠房工作橋相連，供攔污柵安裝及清污時使用。副廠房基礎為獨立筏型基礎，基礎面高程為1.80 m。泵房設備層平面布置及縱斷面分別見圖1 和圖2。

圖1 泵房設備層平面布置圖（單位：高程m，其余mm）

圖2 泵房縱斷面圖（單位：高程m，其余mm）

3 基礎資料

（1）泵站建筑物級別為3 級，結構重要性系數1.1，工程設計合理使用年限50 年，結構使用年限50年的活荷載調整系數1.0。

（2）抗震設防烈度7 度，設計基本地震加速度0.1g，設計地震分組“第二組”，框架結構抗震等級“三級”，特征周期0.4 s，多遇地震、罕遇地震的地震影響系數最大值分別為0.04、0.28，鋼筋混凝土結構阻尼比0.05。

（3）結構周期折減系數0.65，梁端負彎矩調幅系數0.85，中梁剛度放大系數2。

（4）鋼筋混凝土容重25 kN/m3，環境類別“二類”，板保護層厚度25 mm，梁、柱保護層厚度35 mm，梁、板、柱箍筋、主筋分別為HPB300、HRB400，梁、板、柱混凝土強度等級C25。

（5）基本風壓0.35 kN/m2，地面粗糙度“A 類”，風荷載體型系數為1.3，結構自振周期為0.3。泵房不同部位荷載見表1 和表2。

表1 泵房不同部位的活荷載及附加恒載表

表2 泵房不同部位的活荷載及恒載表

4 計算模型與成果分析

4.1 模型荷載輸入

（1）根據基礎資料在YJK 中進行總參數設置，主要為材料屬性、地震參數、風荷載參數的設置。

（2）軸網輸入根據泵房各層平面布置輸入，值得一提的是，坡屋頂的構建需要在軸網輸入時通過上節點高的方式創建。

（3）構件布置在軸網的基礎上進行，初次布置時，梁、柱截面尺寸按照規范構造要求擬定。懸臂板需要借助虛梁完成模型構建，此處的虛梁并非結構中真實存在，虛梁無自重、無剛度，不參與結構的整體計算，其截面尺寸為0.1 m×0.1 m。

（4）在荷載輸入對話框中將表1、表2 中不同類型的荷載對應加載到相應的構件上，此處輸入的荷載值均為標準值。

（5）構件布置和荷載信息均輸入完成后，即可進行樓層組裝，完成荷載的自動傳遞。樓層組成時各標準層的層高為上層頂面與下層頂面的高度。泵房的樓層組裝總圖見圖3。

圖3 泵房樓層組裝圖

4.2 前處理及計算

計算模型中需按照GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》的要求定義特殊柱，如角柱、邊柱等構件，確保柱的內力及配筋面積滿足規范要求。

根據泵站的實際運行情況，結構計算時的荷載組合和工況主要如下：

（1）荷載組合

泵房的結構計算，荷載組合考慮基本組合和偶然組合。基本組合包括恒載+樓面活荷載+其他活荷載+風載，偶然組合包括恒載+樓面活荷載+地震荷載。

（2）計算工況

1）基本組合正常運行工況：恒載+附加恒載+樓面活荷載+風載；

2）基本組合攔污柵檢修工況：恒載+附加恒載+樓面活荷載+風載+電葫蘆運行活荷載；

3）基本組合水泵機組檢修工況：恒載+附加恒載+樓面活荷載+風載+啟閉機運行活荷載；

4）偶然組合地震工況：恒載+附加恒載+樓面活荷載+風載+地震荷載。

根據泵房計算的荷載組合及運行工況，在YJK計算參數-荷載組合-組合表對話框中，勾選采用自定義組合，將表3 中荷載分項系數對應輸入到YJK 計算參數-荷載組合-組合表中，即可保證YJK 軟件計算出的內力及配筋基本上與SL 191-2008《水工鋼筋混凝土結構設計規范》相吻合。通過基于殼元理論的三維有限元進行泵房各工況下的結構計算。

表3 YJK 自定義組合荷載分項系數表

4.3 成果分析

根據泵房各工況下三維有限元計算成果，分析軸壓比、樓層位移比、層間位移角、剛度比、剛重比、層間受剪承載力等指標是否滿足規范要求。

經計算各工況下柱子軸壓比均小于0.9，滿足規范要求，若軸壓比大于0.9，通常調整柱子的混凝土強度等級、加大柱子的截面尺寸降低軸壓比，保證結構的延性。泵房結構平面較為規則，采用剛性樓板假定，計算的最大位移與層平均位移的比值為1.17，小于1.2，滿足規范要求；若位移比超限，可調整結構的不規則性，使剛度均勻。計算最大層間位移角簡圖見圖4。最大層間位移角為1/779 6，小于1/550，滿足規范要求，若不滿足，可增強豎向構件的剛度。

圖4 最大層間位移角簡圖

多方向剛度比簡圖見圖5，各樓層與其相鄰上層的側向剛度比，本層與相鄰上層的比值均大于0.7，與相鄰上部三層剛度平均值的比值均大于0.8，滿足規范要求。

圖5 多方向剛度比簡圖

結構的剛重比即結構剛度與重力荷載之比大于10，滿足規范規定的整體穩定性要求，避免結構出現滑動和傾覆；若不滿足，可調整結構的高寬比值加大剛重比。多方向抗剪承載力簡圖見圖6，層間受剪承載力大于其相鄰上一層受剪承載力的75%，滿足規范要求。

圖6 多方向抗剪承載力簡圖

全部計算指標均滿足規范要求后，選取泵房各部位在最不利工況下的最大配筋面積作為配筋依據，確保結構在各工況下能安全運行。根據最不利工況下的配筋成果，運用YJK 軟件按平法整體制圖規則自動出圖并統計混凝土及鋼筋的工程量，同時生成各工況下的結構計算書，泵房7.8 m 高程梁板平法圖見圖7、圖8 所示。按YJK 軟件結構計算的配筋成果實施后，泵房運行情況良好，完工后的效果圖見圖9。

圖7 泵房7.8 m 高程板平法圖

圖8 泵房7.8 m 高程梁平法圖

圖9 泵房實施后的效果圖

5 結語

文中結合YJK 軟件分析其在水利工程泵房上部結構設計中的實用性，通過建立泵房空間三維有限元模型，在YJK 軟件中計算參數-荷載組合-組合表中設置荷載分項系數，使YJK 能準確合理地分析水利工程泵房上部結構的受力特性，使計算結果與水工混凝土結構設計規范一致。雖然YJK 軟件主要用于工業與民用建筑行業結構分析，但是經過不同行業規范之間的對比分析，采取一定的改進措施后，完全能使YJK 準確合理地運用于水利工程框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻等結構的受力分析。這將使水利工程設計人員從繁瑣低效的工作中徹底解放出來，應用YJK 軟件準確快速地分析桿系結構，避免設計人員盲目使用分析軟件，忽略軟件中某系細節參數的設置，對提高設計效率和設計產品質量具有重要的意義。