YJK 在水利工程泵站上部框架结构设计中的应用

桂冰登

（江西省水利水电建设集团有限公司，江西 南昌 330200）

1 概述

针对板、梁、柱等杆系结构的设计，以往的做法是将复杂三维空间结构离散化为单体结构借助理正结构工具箱或其他工具进行简化计算，虽然在一定程度上能满足设计规范要求，但这并不能反映结构的真实受力情况，而且设计效率低。另一方面，一些计算工具未开放部分参数的设置，仅提供一些粗略的计算模型，最终导致结构设计不合理，甚至造成安全隐患。近年来，随着计算机软硬件技术的发展，运用结构分析软件进行结构计算已成为主流。为适应我国基础设施建设的步伐，提高水利工程的设计效率及设计产品质量，大多数工程设计人员基于中国建筑科学研究院推出的PKPM 和YJK 软件提出多种改进措施。如文献[1-3]直接将PKPM 软件运用于水工建筑物的结构设计，然而忽略了混凝土结构设计规范和水工钢筋混凝土结构设计规范之间的差异性；文献[4]分析了周期折减系数、连梁刚度折减系数、中梁刚度放大系数对钢筋混凝土配配筋率的影响；文献[5，6]提出在PKPM 中进行数据交互，给每项荷载乘修正系数，然后再在配筋面积上乘修正系数，确保结构的安全裕度；文献[7]通过修改软件参数，经多次试算使配筋结果与常规计算结果大致接近，最终选择一组合适的参数再进行计算；文献[8]通过对PKPM 进行分析，将配筋面积乘系数作为配筋依据；文献[9]运用PKPM、YJK 对框架结构的计算结果进行对比分析；文献[10]基于YJK分析结构计算的参数设置，以使结构配筋合理；文献[11]运用PKPM 与YJK 比较剪力墙冲切承台计算；文献[12]分析了梁柱活荷载折减在YJK 和PKPM中的差异。遗憾的是，这些改进措施都未能使分析结果完全满足水工混凝土结构设计规范的要求。为此，基于YJK 软件，结合多年以来的使用经验介绍在其水利工程泵站上部结构设计中相关参数的设置及计算指标的分析，并结合实例验证其实用性。

2 工程概况

某排涝泵站共布置3 台机组，设计流量11.0 m3/s，单机设计流量为3.67 m3/s，设计扬程3.7 m，总装机容量1140 kW，为堤后式布置。排涝泵站由进水前池、主厂房、副厂房、压力水箱、箱涵和出口消能段等建筑物组成。

排涝泵站为湿式型，由主厂房和副厂房组成。5.5 m 高程以下为大体积混凝土结构，5.5 m 高程以上为框架结构。主厂房长（顺水流方向）24.6 m，宽19.1 m，由下而上分别为流道层、水泵层与设备层。设备层以中墩与边墩作支撑。流道层接进水池，流道层闸墩长5.0 m，采用一泵一室的布置形式，水泵为立式轴流泵，进水池底槛高程为-5.2 m，闸墩顶高程为5.5 m，每室设一道固定式拦污栅，采用人工方式清污；水泵层长（顺水流方向）9.05m，高程为1.3 m，四面为C25 钢筋混凝土墙，墙顶高4.2 m；共安放3 台潜水轴流泵，机组间距为5.7 m，水泵接出水钢管，钢管中心线高程3.0 m；设备层高程7.8 m，泵房段顺水流向长8.65 m，安放电气设备，并设中控室。机组间距5.7 m，出水钢管中心高程3.0 m。厂内起重设备采用10 t 悬挂式起重机，起重机梁顶高程为12.8 m。

副厂房主要为安装间和卸栅平台，位于主泵房左侧，紧靠主泵房，顺水流方向长23.6 m，宽6.5 m，安装间底板高程为5.5 m，与室外地面同高。卸栅平台位于安装间上游，与主厂房工作桥相连，供拦污栅安装及清污时使用。副厂房基础为独立筏型基础，基础面高程为1.80 m。泵房设备层平面布置及纵断面分别见图1 和图2。

图1 泵房设备层平面布置图（单位：高程m，其余mm）

图2 泵房纵断面图（单位：高程m，其余mm）

3 基础资料

（1）泵站建筑物级别为3 级，结构重要性系数1.1，工程设计合理使用年限50 年，结构使用年限50年的活荷载调整系数1.0。

（2）抗震设防烈度7 度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组“第二组”，框架结构抗震等级“三级”，特征周期0.4 s，多遇地震、罕遇地震的地震影响系数最大值分别为0.04、0.28，钢筋混凝土结构阻尼比0.05。

（3）结构周期折减系数0.65，梁端负弯矩调幅系数0.85，中梁刚度放大系数2。

（4）钢筋混凝土容重25 kN/m3，环境类别“二类”，板保护层厚度25 mm，梁、柱保护层厚度35 mm，梁、板、柱箍筋、主筋分别为HPB300、HRB400，梁、板、柱混凝土强度等级C25。

（5）基本风压0.35 kN/m2，地面粗糙度“A 类”，风荷载体型系数为1.3，结构自振周期为0.3。泵房不同部位荷载见表1 和表2。

表1 泵房不同部位的活荷载及附加恒载表

表2 泵房不同部位的活荷载及恒载表

4 计算模型与成果分析

4.1 模型荷载输入

（1）根据基础资料在YJK 中进行总参数设置，主要为材料属性、地震参数、风荷载参数的设置。

（2）轴网输入根据泵房各层平面布置输入，值得一提的是，坡屋顶的构建需要在轴网输入时通过上节点高的方式创建。

（3）构件布置在轴网的基础上进行，初次布置时，梁、柱截面尺寸按照规范构造要求拟定。悬臂板需要借助虚梁完成模型构建，此处的虚梁并非结构中真实存在，虚梁无自重、无刚度，不参与结构的整体计算，其截面尺寸为0.1 m×0.1 m。

（4）在荷载输入对话框中将表1、表2 中不同类型的荷载对应加载到相应的构件上，此处输入的荷载值均为标准值。

（5）构件布置和荷载信息均输入完成后，即可进行楼层组装，完成荷载的自动传递。楼层组成时各标准层的层高为上层顶面与下层顶面的高度。泵房的楼层组装总图见图3。

图3 泵房楼层组装图

4.2 前处理及计算

计算模型中需按照GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》的要求定义特殊柱，如角柱、边柱等构件，确保柱的内力及配筋面积满足规范要求。

根据泵站的实际运行情况，结构计算时的荷载组合和工况主要如下：

（1）荷载组合

泵房的结构计算，荷载组合考虑基本组合和偶然组合。基本组合包括恒载+楼面活荷载+其他活荷载+风载，偶然组合包括恒载+楼面活荷载+地震荷载。

（2）计算工况

1）基本组合正常运行工况：恒载+附加恒载+楼面活荷载+风载；

2）基本组合拦污栅检修工况：恒载+附加恒载+楼面活荷载+风载+电葫芦运行活荷载；

3）基本组合水泵机组检修工况：恒载+附加恒载+楼面活荷载+风载+启闭机运行活荷载；

4）偶然组合地震工况：恒载+附加恒载+楼面活荷载+风载+地震荷载。

根据泵房计算的荷载组合及运行工况，在YJK计算参数-荷载组合-组合表对话框中，勾选采用自定义组合，将表3 中荷载分项系数对应输入到YJK 计算参数-荷载组合-组合表中，即可保证YJK 软件计算出的内力及配筋基本上与SL 191-2008《水工钢筋混凝土结构设计规范》相吻合。通过基于壳元理论的三维有限元进行泵房各工况下的结构计算。

表3 YJK 自定义组合荷载分项系数表

4.3 成果分析

根据泵房各工况下三维有限元计算成果，分析轴压比、楼层位移比、层间位移角、刚度比、刚重比、层间受剪承载力等指标是否满足规范要求。

经计算各工况下柱子轴压比均小于0.9，满足规范要求，若轴压比大于0.9，通常调整柱子的混凝土强度等级、加大柱子的截面尺寸降低轴压比，保证结构的延性。泵房结构平面较为规则，采用刚性楼板假定，计算的最大位移与层平均位移的比值为1.17，小于1.2，满足规范要求；若位移比超限，可调整结构的不规则性，使刚度均匀。计算最大层间位移角简图见图4。最大层间位移角为1/779 6，小于1/550，满足规范要求，若不满足，可增强竖向构件的刚度。

图4 最大层间位移角简图

多方向刚度比简图见图5，各楼层与其相邻上层的侧向刚度比，本层与相邻上层的比值均大于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值均大于0.8，满足规范要求。

图5 多方向刚度比简图

结构的刚重比即结构刚度与重力荷载之比大于10，满足规范规定的整体稳定性要求，避免结构出现滑动和倾覆；若不满足，可调整结构的高宽比值加大刚重比。多方向抗剪承载力简图见图6，层间受剪承载力大于其相邻上一层受剪承载力的75%，满足规范要求。

图6 多方向抗剪承载力简图

全部计算指标均满足规范要求后，选取泵房各部位在最不利工况下的最大配筋面积作为配筋依据，确保结构在各工况下能安全运行。根据最不利工况下的配筋成果，运用YJK 软件按平法整体制图规则自动出图并统计混凝土及钢筋的工程量，同时生成各工况下的结构计算书，泵房7.8 m 高程梁板平法图见图7、图8 所示。按YJK 软件结构计算的配筋成果实施后，泵房运行情况良好，完工后的效果图见图9。

图7 泵房7.8 m 高程板平法图

图8 泵房7.8 m 高程梁平法图

图9 泵房实施后的效果图

5 结语

文中结合YJK 软件分析其在水利工程泵房上部结构设计中的实用性，通过建立泵房空间三维有限元模型，在YJK 软件中计算参数-荷载组合-组合表中设置荷载分项系数，使YJK 能准确合理地分析水利工程泵房上部结构的受力特性，使计算结果与水工混凝土结构设计规范一致。虽然YJK 软件主要用于工业与民用建筑行业结构分析，但是经过不同行业规范之间的对比分析，采取一定的改进措施后，完全能使YJK 准确合理地运用于水利工程框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙等结构的受力分析。这将使水利工程设计人员从繁琐低效的工作中彻底解放出来，应用YJK 软件准确快速地分析杆系结构，避免设计人员盲目使用分析软件，忽略软件中某系细节参数的设置，对提高设计效率和设计产品质量具有重要的意义。