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雨水泵站泵井(沉井结构)井壁设计

摘 要: 本文通过对实例工程某雨水泵站泵井(沉井结构)设计,对沉井结构井壁设计方面做一些探讨,为同类结构设计提供参考。 

  关键词:沉井结构;结构平面布置;井壁厚度设计 

  1 引言 

  在结构设计中,常遇到一些半地下建(构)筑物,如雨污水泵房等;泵房泵井在地下部分较深,如采用大开挖,则因场地地下水位较高,易使边坡塌陷,采用基坑围护法,又受到施工工期及经济效益限制。采用沉井法,可不需要特殊设备,施工方法简便,施工场地占用小,出土量小成本低,适用土质范围广,在淤泥土、砂土、黏土、砾砂等均可施工;而井壁设计是沉井结构设计中主要部分,现通过对某雨水泵站泵井的结构设计,对沉井结构井壁设计方面做一些探讨。 

  2 工程概况 

  拟建雨水泵站场地位于浦东新区某集镇东侧,场地内地势平坦,场地地坪标高约3.6~4.0m,地块范围内基本是农田。设计地面标高4.20m,泵房地面标高4.50m,室内外高差300mm。拟建泵井内净尺寸长*宽为27.5*16.8m,深10.675m(底板面标高-6.175m),泵井内局部设水泵层(板面标高-3.395m,层高4.2m)、电机层(板面标高0.805m,层高3.695m)两夹层,泵井上部一层为配电房(檐口标高14m,房屋高9.7m)内设10T吊车,工艺平面如图1-1,1-2所示; 

  根据岩土工程勘察报告,拟建场地属长江三角洲入海口东南前缘的滨海平原地貌类型。本次勘察所揭露的30.30m深度范围内的地层均属第四纪全新世Q4滨海平原型沉积土层;工程地质情况见表1。 

  该场地浅层地下水属潜水类型。地下水位埋深在0.7~1.2m,标高介于2.8~3.3m。 

  在基坑开挖影响范围内不存在承压水层;本场地地下水及地基土对混凝土无腐蚀性。拟建场地属稳定场地,场地类别为IV类,设计特征周期为0.9S,软弱场地土;抗震设防烈度为7度,第一组,设计基本地震加速度为0.10g。拟建场地在抗震设防烈度为7度时,地基不会发生液化。 

  3 结构设计 

  根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》(CECS137:2002),本工程沉井安全等级为二级,重要性系数1.0。钢筋采用HRB335,根据《混凝土结构耐久性规范》(GB/ T 50476-2008),混凝土强度等级采用C35。施工方法采用排水下沉。井壁采用直壁式;考虑底板需后浇引起与井壁接缝处止水措施,井壁设置凹槽,如图2所示。 

  根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》[1] 

  (6.1.2-1)下沉系数Kst≥1.05 

  (6.1.2-2)Kst=(Gk-Ffw,K)/Ffk 

  (6.1.3-1)下沉稳定系数Kst,s=0.8~0.9 

  (6.1.3-2)Kst,s=(Gk-F’fw,K)/(F’fk+Rb) 

  (6.1.4-1)抗浮系数Kfw≥1.0 

  (6.1.4-2)Kfw(Gk-F’fw,K)/(F’fk+Rb) 

  采用排水下沉,故水浮力标准值F’fw,K =0 

  井壁侧阻力标准值F’fk=12070 KN 

  刃脚,隔墙和底梁下地基土极限承载力Rb=23340KN 

  扣除立柱和隔墙重量后,推算出沉井(井壁)自重GK=17464~21032KN ,井壁厚度范围0.71~0.86m之间。 

  1)结构平面布置 

  本工程沉井平面尺寸较大,需布置竖向框架。首先根据雨水泵房工艺平面及剖面布置,确定结构平面布置,合理布置壁柱、支撑(水平横梁,地梁)、内隔墙,合理控制井壁计算跨度,并满足《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》平面分格净尺寸不应小于3.0米规定。根据泵井工艺平面图及泵井上部结构布置,水平横梁设置结合水泵层及电机层标高,水平横梁在下沉工况时作为水平支撑,正常使用工况时作为框架梁,承受水泵层、电机层荷载。壁柱定位结合上部配电房结构布置,尽量避免梁上立柱,做到传力途径直接、合理。设计中考虑由井壁、壁柱、支撑(水平横梁,地梁)、内隔墙组成能可靠受力的竖向框架一起下沉。综上所述,本工程中柱网及横梁方案设置如图 3所示,通过柱网及横梁设置,本工程中沉井平面共分24个格仓;井壁预留1m后浇段(顶部横梁设在3.50标高),以减轻沉井下沉时自重,又可方便浇筑沉井顶板。 

  2)井壁荷载计算 (表2) 

  钢筋混凝土重度取25KN/m3,素混凝土重度取23KN/m3 

  土压力取侧向主动土压力 

  地面堆载及车辆荷载按10 KN/m2 

  地下水取静水压力, 

  水、土分算 

  施工前须平整场地,因此假设为地面水平,由《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》侧向主动土压力 

  计算得侧向主动土压力如图4所示。 

  3)井壁内力计算 

  ⑴施工下沉工况 

  施工下沉工况按水平闭合框架计算,沿水平方向取1m计算,荷载取每段上、下端的平均值。刃脚以上1.5倍井壁厚度的高度范围内的井壁,除承受水、土压力外,还要 

  力计算结果如下: 

  Mx0= 410 KN*M Mx=202 KN*M 

  My0= 429 KN*M My=49 KN*M 

  根据计算结果,井壁水平钢筋由下沉工况水平闭合框架计算内力控制,竖向钢筋由使用工况按三边固定,上端自由的双向板计算内力控制。原因分析:下沉工况时,按水平闭合框架计算,荷载由水平方向承担,故水平向弯矩大,竖向弯矩不计;使用工况时,按三边固定一边自由双向板计算,荷载由水平和竖向共同承担,故水平弯矩小于下沉工况,而竖向弯矩大于下沉工况。 

  控制内力如下: 

  水平支座弯距(井壁外侧)M支=644 KN.M 

  水平跨中弯距(井壁内侧)M1=445 KN.M 

  竖向支座弯距(井壁外侧)My 0= 429 KN*M 

  竖向跨中弯距(井壁内侧)My=49 KN*M 

  4)井壁(刃脚)配筋计算 

  设计中采用两种井壁厚度进行试算,结果如表3所示(每平方米井壁工程造价)。 

  4 结语 

  通过对本工程沉井的设计,总结沉井结构设计方面的注意问题及心得体会,对今后的进一步工作有所帮助; 

  矩形沉井井壁水平钢筋由下沉工况水平闭合框架计算内力控制,竖向钢筋由使用工况按三边固定,上端自由的双向板计算内力控制。 

  由于沉井井壁工程量占沉井总体结构工程量比重教大,对工程经济影响重大,设计时应进行比较,选择更合理经济的井壁厚度。 

  目前,还没有完整、系统的沉井内力计算软件,沉井内力计算需各个构件分别计算,因此,计算简图力求与实际状态吻合并可做一些简化。 

  参考文献: 

  [1]给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程.CECS137:2002. 
[2]给水排水工程构筑物结构设计规范.GB-50069-2010.

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