浅谈泵房结构设计

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2019/7/25来源:《建筑细部》2018年第27期文/何国勇
[导读]本文就泵房的形式选择及结构设计过程进行一个简单的探讨。

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        摘要:泵房在给排水工程中应用广泛、形式复杂,在实际工程设计过程中,需要对泵房的形式进行比选才能选取出经济合理的泵房结构。本文就泵房的形式选择及结构设计过程进行一个简单的探讨。
        关键词:泵房结构形式;扶壁式泵房;结构计算;设计步骤
       
       
        引言
        泵房结构形式多样,常接触主要有圆形泵房和矩形泵房。圆形泵房的优点是结构受力条件比较好,但是工艺布置会受到限制,面积的利用不够充分。比较适用于面积不大、埋深较深的泵房。矩形泵房的优点是结构受力条件较差,方便于工艺布置,可以充分利用建筑面积,也便于采用标准的建筑构件和起重设备,适用于平面面积较大、埋深较浅的泵房。采用不同的结构形式,计算模型也不尽相同。本文将对泵房不同形式的适用性进行简单探讨,并就一个常见的矩形扶壁式泵房进行简单的设计过程探究。
        1常用的泵房结构形式
        1)圆形平底泵房:该形式泵房由柱壳、平地板组成,结构简单、施工方便、材料较省、应用较广,适用于一般工程地质条件的中小型分建式泵房
        2)球底泵房:该形式泵房由柱壳、环梁及球底壳组成,受力情况较好,但球底施工较复杂。常用于直径大于15m的大中型泵房。
        3)带隔墙圆形平底泵房:该形式泵房由柱壳、平地板、隔墙-组成,刚度较好,但施工复杂。适用于合建式泵房。
        4)湿式泵房:该形式泵房由圆柱壳、隔墙、底板(或构造底板)组成,一般可不做抗浮计算,壁较薄(岩石完整时可不做衬砌),施工简单、节约土建投资,比较经济,适用于水位变化较大的岸边取水泵房;适用于岩石地质条件,要求岩石稳定性好。
        5)无底板泵房:该形式泵房只设构造底板,不考虑抗浮,施工较简便。适用于岩石地基完整、无裂隙且较坚硬的中小型泵房。
        6)石砌泵房:该形式泵房可利用建设地区石料,节约三材。适用于深7~15m分建式中小型泵房。须具有材料和施工条件。
        7)挡土墙式矩形泵房。该形式泵房又根据挡土墙的形式可分为重力式、悬臂式、扶壁式泵房。可根据不同地区的地质条件进行选取。重力式一般适用于无地下水影响地区,悬臂式和扶壁式适用于有地下水影响地区。
        8)另外还有结构形式比较复杂的板式泵房和框架式泵房,这里不做详述,可参考其他相关资料。
        2泵房结构的设计资料及荷载作用
        (1)设计资料。在具体的设计过程中,一般应包括以下设计资料:工艺资料、地质资料、地形资料、水文资料、气象资料、地震资料以及其他必要资料。可根据工程规模的大小及重要性,建筑结构及工程地质的复杂程度酌情增减或取舍。
        (2)荷载作用。泵房上的荷载作用主要包括永久作用,可变作用以及地震的偶然作用。在进行结构设计时,要考虑周全各种荷载作用。
        (3)荷载作用组合。强度计算的作用组合主要包括:A.对于分建式泵房(进水间与泵房完全分开)地面以下的外墙及底板,应考虑高水位和低水位两种作用情况。B.对于合建式泵房(进水间在泵房内)地面以下的外墙、隔板及底板除应考虑上述两种作用情况外,尚应考虑进水间完全充水,以及进水间一格或几格放空时的荷载情况。此时,泵房外的水压力、土压力应按实际情况而定。C.各种作用的分项系数,按《建筑结构荷载规范》和《给水排水工程构筑物结构设计规范》的规定采用。稳定验算的作用组合一般应考虑以下两种情况。①高水时,土压力、风荷载、流水压力(或波浪压力、撞击力)的作用;②施工及安装阶段可能出现的不利情况。至于稳定性抗力系数可按相关规定采用。
        3泵房稳定性验算和地基承载力计算
        泵房的稳定性验算主要包括抗浮、抗滑和抗倾覆三个方面。
        抗浮验算。当泵房尺寸较大、水位较高时,抗浮往往是设计的控制因素之一。根据具体情况可以同时采用一种或多种抗浮方式。主要有自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮及锚固抗浮。自重抗浮的自重计算不包括设备重、使用荷载及安装荷载。因为自重的加大,使泵房的体积增加,浮力也相应增加。所以,自重抗浮只在不具备其他抗浮条件或自重加大不多时即可满足抗浮时采用。自重抗浮较其他抗浮方式安全可靠。配重抗浮较常用的配重是在泵房底板外挑部分的填土或砌体。当不影响底部空间时,也可以用块石混凝土或其他低强度等级混凝土等填料加在泵房内部底板上。有的工程也采用在泵房顶部配重(如屋顶上堆砂,盛水),但此方式加大结构承载量,且对抗震不利。嵌固抗浮是利用岩石抗剪强度抗浮。一般情况下,只要岩基较完整,有一定的厚度,并且在开挖爆破时采取适当的保护措施,则可达到抗浮的目的。锚固抗浮一般是岩石地基的锚固抗浮。利用锚杆来达到抗浮目的。要求基岩坚固完整,具有施工条件。
        抗滑抗倾验算。当采用嵌固或锚固抗浮时,泵房周围填土较深且土面大体一致时,可不做抗滑、抗倾验算。当泵房建筑在软弱土层上,有可能出现连同地基土一起滑动而失去稳定时,尚应用圆弧滑动条分法进行整体稳定验算。
        地基压力最大值发生在最枯水期间的工作状况。因此,仅需计算最枯水位条件下的地基承载力。
        4矩形扶壁式(带肋式)泵房结构设计步骤探讨
        当泵房地下部分深度较大(如超过4m)或为了支承上部建筑(排架、框架等)的柱子,混凝土挡土墙常做成扶壁式的,扶壁柱的间距一般与上部结构的柱距相同,当上部柱网尺寸较大时,也可适当加密扶壁柱间距。扶壁柱的尺寸对于小型泵房可与上部建筑柱子相同,对于较深的泵房,扶壁柱的截面宜适当加大。扶壁柱的位置根据平面布置的需要可取与墙壁外皮或内皮平齐,也可将墙壁置于扶壁柱中部。对应扶壁柱位置在底板内设置地梁的结构形式是经常采用的。该方案受力较为明确,当泵房的跨度较小,地基条件较好时,也可采用无地梁的整体式底板。
        挡土墙的计算。施工阶段的计算:一般可按照结构施工至地面标高即进行地下结构周围回填施工的正常施工模式进行计算,即此时挡土墙顶部为自由边界条件,然后对挡土墙进行强度计算、抗滑抗倾验算、地基承载力验算。当设计中对施工程序有特殊要求时,应在设计图中予以说明。使用阶段的计算:当上部建筑为砖混结构时,可近似假定挡土墙顶为上部砖排架的固定端,以求得上部建筑对挡土墙顶的力学作用。当上部结构采用钢筋混凝土排架结构时,此排架柱与下部挡土墙的扶壁柱连成整体,计算时应作为一个排架考虑。当底板内设有地梁时,宜采用整体分析方法对排架和地梁进行计算。对于泵房跨度较小,地基条件较好且地梁刚度较大的有地梁底板以及跨度较小的无地梁底板,当采用简化方法计算时,排架柱和地梁或可分开计算。排架柱的根部可按照固端计算,地梁或底板可按照两端简支计算。
        底板计算。泵房底板及地梁的地基反力分布应根据结构的刚度以及地基的条件确定,当底板或地梁的计算跨度不大时,一般可按照直线分布假定计算。底板上的垂直荷载根据所验算的工况不同而有所不同,一般包括结构自重,池内水重,地面堆积荷载,底板上的土重,楼面及平台活荷载,地下水浮脱力等。除此外,还有由于泵房侧面的水、土压力以及结构的自重偏心等而产生的弯矩荷载。在实际设计过程中,需要按实际情况考虑相关荷载和不同的工况组合。
        地基承载力计算。基底压力分布一般可按照直线分布计算,验算地基承载力时,地下水应采用设计使用期内可能出现的最低地下水位。当存在地下水时,尚应进行整体式抗浮验算。
        结语
        在进行泵房设计时,选取合理的泵房形式可以起到事半功倍的效果。同时,对泵房形式进行结构分析计算时应结合实际情况,并采用正确的结构计算模型和计算公式,并结合泵房的结构特点设计,才能把泵房设计得更加可靠和经济。
        参考文献:
        [1]GB 50010-2010,混凝土结构设计规范,中华人民共和国国家标准,2010
        [2]CECS138-2002,给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程,中国工程建设标准化协会标准,2002
        [3]SH-T3132-2002,石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范,中华人民共和国行业标准,2003