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[摘 要] 本文通过对某大型泵房机器间侧墙顶部支承计算进行分析，比较了弹性支承反力系数法和有限元分析方法的计算结果。分析并得出了泵池墙顶走道板支承作用应如何妥善考虑、如何精确计算的初步结论。
[关键词]泵房 弹性支承 有限元分析
中图分类号：TU991.35 文献标识码：A 文章编号：
引言
泵房是功能性很强的市政建筑，主要作用是抽取低洼处的积水。地面式泵房主体建筑是地下机房（或泵池），包括机器间和格栅间，地面建筑建于其上。泵房的特点是：1、是城市的重要设施。如果泵房损毁，暴雨时立交桥区等地会发生严重积水，导致交通中断甚至人员伤亡——这在当前具有的实际意义。2、地下机房比较深。因为泵房本身并不位于地面的低点，可是排水区域地面最低点以下的排水管道要接入地下机房。3、地下机房顶部会有连续的走道板或平台。根据上述特点，当地下水水位比较高时，如果不考虑走道板的支承作用，侧墙按顶端自由来计算内力，会得出很保守的结果。但是走道板受力后会发生水平挠曲变形，并不能作为固定铰支承。所以通用的方法是将走道板当作弹性支承，根据它和侧墙的刚度关系，推算出弹性支承反力系数αT，用αT乘固定铰支承的反力R，代入墙顶自由的计算模型。但是相关规范和手册未直接给出侧墙按双向板、梯形荷载计算时如何求板顶反力，若把侧墙当作单向板计算，其结果难免保守。本文通过某大型泵房结构的设计，采用有限元方法分析，与弹性支承折算的方法比照，得出地下水水位比较高、地下机房侧墙支承计算的初步结论。
1 算例概况
1.1 工程概况
下图（图1）为算例的平面图和剖面图，示意图中尺寸单位是mm，标高单位是m。
图1. 机器间最大侧墙平面和剖面示意图
选作算例的工程位于北京市，是奥运周边工程的一项。其中机器间净长19m，净宽7m，净高14m。由于机房比较深，而且内布五台泵，以各种泵房衡量，它属于大型的泵房。由于格栅间比较小，且有中间支承平台，故本文以机器间最大侧墙为算例。为了便于讨论，算例仍为直壁式壁板：墙厚900mm。走道板在墙顶通长设置，厚度300mm，净出挑1.5m。
1.2荷载工况
工程场区地下水位较高，按地下水到自然地面的情况计算。主动土压力系数1/3 [1]，土侧荷载底端为L1=0.33×14×10=46.67KN/m，水侧荷载底端为L2=140KN/m。地面堆积活荷载的侧向均布荷载D1=3.3KN/m。设自重为G。机器间不存在内部满水而外空的情况，又省略抗震及人员活荷载，则标准组合有：Ck-1=G+1.0×L1+D1；2：Ck-2=G+1.0×L1+L2+D1；基本组合有：C1=1.35×G+1.27×1.0×L1+1.4×0.9×D1；C2=1.35×G+1.27×(1.0×L1+L2)+1.4×0.9×D1。本文为简化探讨过程，主要比较弯矩，选取正常使用极限状态的标准组合Ck-2计算。
2计算和分析
2.1按弹性支承反力系数法计算
侧墙高HB=14m、计算宽b=1m。与算例垂直的方向有一道宽1.8m的走道板，算做支承构件，走道板水平计算跨度L=19-1.8=17.2m。比值m=。判断走道板是否为固定铰支承：走道板单位长度惯性矩JL=，侧墙单位长度惯性矩JH=
，则ng=JL/JH=1.25，又因为＞ng，因此走道板是弹性铰支承[2]。弹性支承反力系数αT=。可求单位宽度侧墙按下端固定支承、上端固定铰支承计算的上端反力R=278.66KN，αT×R=246.06KN。将αT×R作用于墙顶自由端，可得墙底负弯矩M1=-2976KN.m。如按墙顶为自由端，计算可得中正弯矩墙底负弯矩M1’=-6097.9KN.m。按此种方法计算，M1’/M1=2.05，走道板的支承作用比较明显。
2.2按有限元方法计算
采用SAP2000软件 [3]建立整体模型进行分析，标准组合Ck-2的弯矩图（图2）示意如下。
图2. 标准组合Ck-2的弯矩云图
上图正视角的即为算例的机器间侧墙。梯形荷载运用节点样式、表面压力输入，底板输入了弹性地基梁。墙底负弯矩M1=-1623.3KN.m，跨中正弯矩M2=633.8KN.m，墙顶负弯矩M3=-11.61KN.m，墙两侧支座处最大负弯矩分别为M4=-1124.1KN.m，对侧M5=-436.5KN.m。如将墙顶的走道板都删除，即按墙顶是自由端计算，可以得出墙底负弯矩M1’=-1829.9KN.m，跨中正弯矩M2’=657.5KN.m，墙两侧支座处最大负弯矩为M4’=M5’=-1286.4KN.m。两种情况内力相差不是特别大，比如M1’/M1=1.13。
2.3计算结果比较和分析
分析两种计算的结果可以发现：1、如将侧墙简化为单向板，墙顶的走道板的支承作用尤其明显。可是，有限元计算显示，走道板刚度相对比较弱时，它明显也有支承作用，不过即便计算了走道板内侧的通长平台梁，走道板的支承作用也没有弹性支承反力系数法算出来的那么显著。2、将侧墙当作单向板以弹性支承反力系数法计算，尽管考虑了墙顶弹性支座的作用，但仍然在墙下端出现了比较大的弯矩。3、也可以按弹性支承反力系数法计算，但将侧墙作为双向板，但是，套用常见的一些静力手册，无法直接查出三角形荷载、上端固定铰支承条件下墙顶边缘反力。而需要把梯形荷载折算成均布荷载，这样其结果因人而异，是否安全很难控制。4、有限元计算的内力数值比较小，而且泵池各个部位的内力数据比较详细。整体模型计算了各个墙、平台的支承作用及弯矩分配。因此墙两侧支座处弯矩数值不相等，墙顶也有负弯矩。
3结论
根据上述大型泵房机器间侧墙顶部支承计算的情况，我们可以得出如下初步结论：1、走道板的支承作用必须予以考虑，但是我们也不能人为夸大，它只是一种弹性支承的支座。2、简单的运用弹性支承反力系数法计算，将侧墙作为单向板计算，仍会得出偏于保守的结果。3、比较大型的泵房适合于使用有限元的方法整体建立模型分析、计算，这样也便于计算各个构件的相互作用。
本文得出的仅是初步的结论，与有限元相比较的简化计算方法也不能涵盖所有静力计算方法，因此本文主要的作用在于探讨，并提供一些参考。
参考文献
[1] 国家标准.给水排水工程构筑物结构设计规范 GB 50069-2002[S].北京：中国建筑工业出版社,2002
[2] 《给水排水工程结构设计手册》编委会. 给水排水工程结构设计手册（第二版）[M].中国建筑工业出版社,2006
[3] 北京金土木軟件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.通用结构分析与设计软件的常青树SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社.2006
[关键词]泵房 弹性支承 有限元分析
中图分类号：TU991.35 文献标识码：A 文章编号：
引言
泵房是功能性很强的市政建筑，主要作用是抽取低洼处的积水。地面式泵房主体建筑是地下机房（或泵池），包括机器间和格栅间，地面建筑建于其上。泵房的特点是：1、是城市的重要设施。如果泵房损毁，暴雨时立交桥区等地会发生严重积水，导致交通中断甚至人员伤亡——这在当前具有的实际意义。2、地下机房比较深。因为泵房本身并不位于地面的低点，可是排水区域地面最低点以下的排水管道要接入地下机房。3、地下机房顶部会有连续的走道板或平台。根据上述特点，当地下水水位比较高时，如果不考虑走道板的支承作用，侧墙按顶端自由来计算内力，会得出很保守的结果。但是走道板受力后会发生水平挠曲变形，并不能作为固定铰支承。所以通用的方法是将走道板当作弹性支承，根据它和侧墙的刚度关系，推算出弹性支承反力系数αT，用αT乘固定铰支承的反力R，代入墙顶自由的计算模型。但是相关规范和手册未直接给出侧墙按双向板、梯形荷载计算时如何求板顶反力，若把侧墙当作单向板计算，其结果难免保守。本文通过某大型泵房结构的设计，采用有限元方法分析，与弹性支承折算的方法比照，得出地下水水位比较高、地下机房侧墙支承计算的初步结论。
1 算例概况
1.1 工程概况
下图（图1）为算例的平面图和剖面图，示意图中尺寸单位是mm，标高单位是m。
图1. 机器间最大侧墙平面和剖面示意图
选作算例的工程位于北京市，是奥运周边工程的一项。其中机器间净长19m，净宽7m，净高14m。由于机房比较深，而且内布五台泵，以各种泵房衡量，它属于大型的泵房。由于格栅间比较小，且有中间支承平台，故本文以机器间最大侧墙为算例。为了便于讨论，算例仍为直壁式壁板：墙厚900mm。走道板在墙顶通长设置，厚度300mm，净出挑1.5m。
1.2荷载工况
工程场区地下水位较高，按地下水到自然地面的情况计算。主动土压力系数1/3 [1]，土侧荷载底端为L1=0.33×14×10=46.67KN/m，水侧荷载底端为L2=140KN/m。地面堆积活荷载的侧向均布荷载D1=3.3KN/m。设自重为G。机器间不存在内部满水而外空的情况，又省略抗震及人员活荷载，则标准组合有：Ck-1=G+1.0×L1+D1；2：Ck-2=G+1.0×L1+L2+D1；基本组合有：C1=1.35×G+1.27×1.0×L1+1.4×0.9×D1；C2=1.35×G+1.27×(1.0×L1+L2)+1.4×0.9×D1。本文为简化探讨过程，主要比较弯矩，选取正常使用极限状态的标准组合Ck-2计算。
2计算和分析
2.1按弹性支承反力系数法计算
侧墙高HB=14m、计算宽b=1m。与算例垂直的方向有一道宽1.8m的走道板，算做支承构件，走道板水平计算跨度L=19-1.8=17.2m。比值m=。判断走道板是否为固定铰支承：走道板单位长度惯性矩JL=，侧墙单位长度惯性矩JH=
，则ng=JL/JH=1.25，又因为＞ng，因此走道板是弹性铰支承[2]。弹性支承反力系数αT=。可求单位宽度侧墙按下端固定支承、上端固定铰支承计算的上端反力R=278.66KN，αT×R=246.06KN。将αT×R作用于墙顶自由端，可得墙底负弯矩M1=-2976KN.m。如按墙顶为自由端，计算可得中正弯矩墙底负弯矩M1’=-6097.9KN.m。按此种方法计算，M1’/M1=2.05，走道板的支承作用比较明显。
2.2按有限元方法计算
采用SAP2000软件 [3]建立整体模型进行分析，标准组合Ck-2的弯矩图（图2）示意如下。
图2. 标准组合Ck-2的弯矩云图
上图正视角的即为算例的机器间侧墙。梯形荷载运用节点样式、表面压力输入，底板输入了弹性地基梁。墙底负弯矩M1=-1623.3KN.m，跨中正弯矩M2=633.8KN.m，墙顶负弯矩M3=-11.61KN.m，墙两侧支座处最大负弯矩分别为M4=-1124.1KN.m，对侧M5=-436.5KN.m。如将墙顶的走道板都删除，即按墙顶是自由端计算，可以得出墙底负弯矩M1’=-1829.9KN.m，跨中正弯矩M2’=657.5KN.m，墙两侧支座处最大负弯矩为M4’=M5’=-1286.4KN.m。两种情况内力相差不是特别大，比如M1’/M1=1.13。
2.3计算结果比较和分析
分析两种计算的结果可以发现：1、如将侧墙简化为单向板，墙顶的走道板的支承作用尤其明显。可是，有限元计算显示，走道板刚度相对比较弱时，它明显也有支承作用，不过即便计算了走道板内侧的通长平台梁，走道板的支承作用也没有弹性支承反力系数法算出来的那么显著。2、将侧墙当作单向板以弹性支承反力系数法计算，尽管考虑了墙顶弹性支座的作用，但仍然在墙下端出现了比较大的弯矩。3、也可以按弹性支承反力系数法计算，但将侧墙作为双向板，但是，套用常见的一些静力手册，无法直接查出三角形荷载、上端固定铰支承条件下墙顶边缘反力。而需要把梯形荷载折算成均布荷载，这样其结果因人而异，是否安全很难控制。4、有限元计算的内力数值比较小，而且泵池各个部位的内力数据比较详细。整体模型计算了各个墙、平台的支承作用及弯矩分配。因此墙两侧支座处弯矩数值不相等，墙顶也有负弯矩。
3结论
根据上述大型泵房机器间侧墙顶部支承计算的情况，我们可以得出如下初步结论：1、走道板的支承作用必须予以考虑，但是我们也不能人为夸大，它只是一种弹性支承的支座。2、简单的运用弹性支承反力系数法计算，将侧墙作为单向板计算，仍会得出偏于保守的结果。3、比较大型的泵房适合于使用有限元的方法整体建立模型分析、计算，这样也便于计算各个构件的相互作用。
本文得出的仅是初步的结论，与有限元相比较的简化计算方法也不能涵盖所有静力计算方法，因此本文主要的作用在于探讨，并提供一些参考。
参考文献
[1] 国家标准.给水排水工程构筑物结构设计规范 GB 50069-2002[S].北京：中国建筑工业出版社,2002
[2] 《给水排水工程结构设计手册》编委会. 给水排水工程结构设计手册（第二版）[M].中国建筑工业出版社,2006
[3] 北京金土木軟件技术有限公司,中国建筑标准设计研究院.通用结构分析与设计软件的常青树SAP2000中文版使用指南[M].人民交通出版社.2006