換流站生產(chǎn)、消防水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

王義鵬+閆勇

摘 要：文章借助SAP2000結(jié)構(gòu)分析軟件，從多種荷載工況中選取四種荷載工況，對(duì)某換流站工程的生產(chǎn)、消防水池的側(cè)壁進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。通過對(duì)四種荷載工況計(jì)算結(jié)果的分析，作者認(rèn)為：（1）生產(chǎn)、消防水池結(jié)構(gòu)計(jì)算的控制工況為閉水試驗(yàn)工況；（2）由于生產(chǎn)、消防水池結(jié)構(gòu)的特殊性，其受力較為復(fù)雜，在普通地下蓄水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的國標(biāo)圖集05S804《矩形鋼筋混凝土蓄水池》對(duì)其不具有針對(duì)性，不能盲目套用。文章通過對(duì)生產(chǎn)消防水池側(cè)壁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)的分析，提出其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)注意事項(xiàng)，為后續(xù)工程的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：換流站；生產(chǎn)、消防水池；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；SAP2000

中圖分類號(hào)：TU991.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）23-0109-03

引言

由于換流站的閥冷卻用水量較大，為了提高生產(chǎn)給水的可靠性，保障換流站的運(yùn)行安全，換流站內(nèi)通常會(huì)設(shè)置生產(chǎn)、消防水池，以用來貯存自來水或經(jīng)處理后達(dá)標(biāo)后的地下水。在僅有一處站外可靠水源的情況下，生產(chǎn)、消防水池必須保證貯有三天的用水量（大約3000m3至5500m3，其中消防用水400m3）。

換流站生產(chǎn)、消防水池通常與綜合水泵房在平面上呈組合式平行布置（如圖1），在豎直方向呈半地下式布置（如圖2），水池內(nèi)部存在較多隔墻，形成各自獨(dú)立的隔斷水池，且形狀十分不規(guī)則，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜。

同時(shí)，由于換流站征地和創(chuàng)優(yōu)等因素，全站建（構(gòu)）筑物的平面布置較為緊湊，因此，在水池容積一定時(shí)，為了減小水池的占地面積，只能增大池內(nèi)水深及水池側(cè)壁高度，進(jìn)而對(duì)水池側(cè)壁的受力性能提出了更高的要求。

目前，在水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中國標(biāo)圖集05S804《矩形鋼筋混凝土蓄水池》被廣泛應(yīng)用，但該圖集僅適用于全地下式結(jié)構(gòu)且容積不大于2000m3的單格蓄水池。對(duì)于換流站中結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的生產(chǎn)、消防水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不具有針對(duì)性，且相關(guān)的文章并不多見。本文借助某換流站工程中生產(chǎn)、消防水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，分析該水池側(cè)壁的受力特點(diǎn)，旨在提出生產(chǎn)、消防水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)，為以后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 某換流站工程生產(chǎn)、消防水池簡介

某換流站工程生產(chǎn)、消防水池（如圖1和圖2）容量5800m3，整個(gè)水池被劃分為3部分：兩個(gè)貯水池（底板頂標(biāo)高-2.500米，最大水深約7.2米），一個(gè)吸水坑（底板頂標(biāo)高-4.000米，最大水深約8.7米）。三部分獨(dú)立存在，即各部分是否貯水互不影響。

2 生產(chǎn)、消防水池結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 水池結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載工況

根據(jù)《給排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]，結(jié)合本文所研究的生產(chǎn)、消防水池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算荷載工況的選取見表1。

由于生產(chǎn)、消防水池結(jié)構(gòu)的特殊性，水池三部分的貯水情況相互獨(dú)立，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的正常使用工況計(jì)算時(shí)需要考慮水池各部分貯水情況的組合，如表2。由于水池A和水池B具有相似性，本文選擇下列4種計(jì)算工況：（1）工況一：閉水試驗(yàn)，吸水坑和水池A，B均滿水；（2）工況二：使用時(shí)水池B滿水，吸水坑和水池A無水；（3）工況三：使用時(shí)吸水坑和水池A，B均滿水。（4）工況四：使用時(shí)池內(nèi)無水。

2.2 水池結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于該水池結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，作者利用SAP2000有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)生產(chǎn)、消防水池進(jìn)行三維建模計(jì)算，如圖3。

2.2.1 工況一（閉水試驗(yàn)：吸水坑和水池A，B均滿水）

該工況下水池內(nèi)部隔墻在水壓力作用下受力平衡，故只需討論外墻受力情況。

從圖4外壁豎向彎矩云圖可以看出，工況一下，外壁底部的應(yīng)力集中比較明顯，其中泵房側(cè)外壁受力最為不利，底部最大彎矩值為507.9kN-m/m，豎向中部最大彎矩為312kN-m/m。

從圖5外壁水平彎矩云圖可以看出，外壁轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中比較明顯，支座負(fù)彎矩最大值出現(xiàn)在吸水坑泵房側(cè)的外壁邊緣處，其彎矩值為342.5kN-m/m，水平中部最大彎矩也出現(xiàn)在吸水坑泵房側(cè)的外壁處，其最大值為105.8kN-m/m。

2.2.2 工況二（使用時(shí)水池B滿水，吸水坑和水池A無水）

從圖6水池B側(cè)壁豎向彎矩云圖可以看出，水池側(cè)壁底部均有較大的應(yīng)力集中，其中，豎向底部最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在中間隔墻底部，為348kN-m/m。豎向中部最大彎矩出現(xiàn)在外墻中部，為241kN-m/m。

從圖7水池B側(cè)壁水平彎矩云圖可以看出，外壁轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中比較明顯，最大值為292kN-m/m。水平向中部最大彎矩為82kN-m/m。

2.2.3 工況三（使用時(shí)吸水坑和水池A，B均滿水）

該工況下水池內(nèi)部隔墻在水壓力作用下受力平衡，故只需討論外墻受力情況。

從圖8工況三下外壁豎向彎矩云圖可以看出，本工況的計(jì)算結(jié)果與工況一的大致相同，邊緣豎向最大彎矩和中部豎向最大彎矩均位于吸水坑泵房側(cè)的外墻上，豎向底部最大彎矩為456.7kN-m/m，豎向中部最大彎矩為309kN-m/m。

從圖9工況三下外壁水平彎矩云圖可以看出，本工況的計(jì)算結(jié)果與工況一的大致相同，邊緣水平最大彎矩位于吸水坑泵房側(cè)的邊緣處，為253kN-m/m，水平中部最大彎矩為102.2kN-m/m。

2.2.4 工況四（使用時(shí)池內(nèi)無水）

該工況下水池內(nèi)部無水壓力作用，故只需討論外墻受力情況。

從圖10工況四下外壁豎向彎矩云圖可以看出，由于水池內(nèi)無水，所有荷載作用于水池的外表面，水池外壁豎向彎矩呈上下兩頭大，中間小的規(guī)律，最大值為65kN-m/m。

從圖11工況四下外壁水平彎矩云圖可以看出，雖然有應(yīng)力集中現(xiàn)場，但數(shù)值上并不明顯，最大值僅為36kN-m/m。

2.2.5 四種工況對(duì)比分析

通過對(duì)比四種工況作用下，側(cè)壁彎矩的最大值及其所在位置，可以發(fā)現(xiàn)：（1）各個(gè)工況水池壁的豎向彎矩均在池壁底部有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其中，工況一吸水坑泵房側(cè)的池壁底部應(yīng)力集中的現(xiàn)象尤為明顯，其彎矩值高達(dá)507.9kN-m/m；同時(shí)，其中部的豎向彎矩也相對(duì)于其他工況和其他部位也最大，彎矩值達(dá)312kN-m/m。（2）各個(gè)工況水池壁的水平彎矩均在池壁轉(zhuǎn)角處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中工況一吸水坑泵房側(cè)池壁邊緣處尤為明顯，邊緣最大彎矩值為342kN-m/m。

3 結(jié)束語

（1）由于換流站內(nèi)生產(chǎn)、消防水池的吸水坑通常比水池深，且與綜合水泵房共側(cè)壁，該側(cè)壁在水泵房內(nèi)無側(cè)向支撐，因此在吸水坑滿水狀態(tài)時(shí)，該側(cè)壁受力最為不利，從計(jì)算結(jié)果也可以看出，該側(cè)壁底部彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他部位。

（2）在閉水試驗(yàn)工況中，水池側(cè)壁底部彎矩和邊緣水平彎矩遠(yuǎn)大于同側(cè)的跨中彎矩。因此，作者建議在側(cè)壁配筋計(jì)算時(shí)，對(duì)于邊緣負(fù)彎矩較大的部位，應(yīng)考慮多設(shè)置附加鋼筋，減少通長鋼筋的設(shè)置。

（3）根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，生產(chǎn)、消防水池側(cè)壁的控制工況為閉水試驗(yàn)工況；而國標(biāo)圖集05S804《矩形鋼筋混凝土蓄水池》的控制工況則是“運(yùn)行時(shí)池內(nèi)無水”工況。因此，該圖集對(duì)于生產(chǎn)、消防水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不具有針對(duì)性，不能盲目套用。

（4）對(duì)于吸水坑滿水水深較大的生產(chǎn)、消防水池，筆者建議工藝專業(yè)應(yīng)考慮將水池的中間隔墻延伸并貫通吸水坑，以降低吸水坑側(cè)壁底部局部過大的彎矩。

參考文獻(xiàn)：

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