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    修筑物抗浮牢靠度剖析及抗浮平安系数取值

      

    修筑物抗浮牢靠度剖析及抗浮平安系数取值

      

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    修筑物抗浮牢靠度剖析及抗浮平安系数取值

      江苏省电力设计院,江苏南京 211102) 摘要: 依据工程结构可靠性设计理论,对构筑物的抗浮可靠度进行了分析,并将结果换算成相应的抗浮安全系 数。研究表明: 采用单一安全系数法难以准确反映构筑物抗浮稳定性的实际状态; 对只受重力荷载和浮托力作用 的构筑物,采用可靠度分析方法可以较为准确地反应构筑物抗浮稳定性的实际状况。当上浮效应为浮力时,无论 是正常使用阶段,还是临时工况,应取抗浮稳定安全系数 10;对开槽埋设的钢筋混凝土沉管隧道,建议取 20。关键词: 构筑物抗浮; 可靠指标; 安全系数; 对比分析 中图分类号: TU473. ReliabilityAnalysis SafetyFactor Value StructureCHONG Jun,LU Hong-qian JiangsuElectric Power Design Institute,Nanjing 211102,China) Abstract: Based engineeringstructural reliability design,the reliability index safetyfactor aiming resultsshowed singlesafe factor”is goodenough anti-floatingstability assessment. structurebearing gravity loads upliftforce, reliabilitymethod could precisely reflect actual state anti-floatingstability. uprisingeffect,the corresponding anti-floating stability lessthan 20(used trench-buriedreinforced con- crete immersed tunnel) during construction operation.Key Words: anti-floating structure;reliability index; safety factor; comparative analysis 工程设计中,对受到浮力作用的构筑物应进行 抗浮稳定性验算。相关的设计规范规定抗浮稳定验 算时,一般只需计算抗浮效应与上浮效应之比。但 不同行业的设计规范,对抗浮效应与上浮效应的计 算和取值标准、抗浮安全系数取值等有不同的规定, 且对抗浮稳定验算也未形成一致意见。即便是同行 业,针对不同类型构筑物的抗浮验算要求也不完全 相同。导致对同一个构筑物,在同一工况下,按不同 的设计规范进行抗浮验算时,常会出现不同的结果。 对不同规范中结构抗浮验算方法进行了比较,针对某些构筑物,提出了抗浮 验算时选用规范的建议; 通过对地下结构工程抗浮设计应用现状的分析,提出地下结构抗浮 设计方案选择原则,建立了地下结构抗浮设计方案 优选的多级综合评价指标体系及方案优选的多级模 糊综合评价决策模型,但该成果中未给出抗浮稳定 的定量分析方法和判别依据; 分析推导了闸室抗浮稳定承载能力极限状态方程,并对极限 状态方程中相关分项系数的取值进行了分析,但未 对原规范规定的抗浮安全系数是否合适作出进一步 的分析; 对地铁车站地下结构设计中侧壁摩阻力大小进行了计算,进而考虑抗浮安全性,对 车站地下结构的临界宽度进行了计算,但未对文献 中的抗浮安全系数取值是否合适作出分析。 实际工程中,构筑物抗浮稳定属于整体稳定范 畴。构筑物如果出现上浮现象,轻则会影响到构筑 物的正常使用,重则会使构筑物丧失使用功能,甚至 导致结构破坏,造成严重的后果。为了对相关规范 收稿日期: 2011 02作者简介: 1955—),男,高级工程师,chongjun@ jspdi. com. cn。 引文格式: 构筑物抗浮可靠度分析及抗浮安全系数取值[J].南昌大学学报: 工科版,2012,34( 构筑物抗浮可靠度分析及抗浮安全系数取值33 中抗浮安全系数取值的合理性进行定量评判,确保 构筑物抗浮具有足够的可靠性,本文依据工程结构 可靠性设计理论,建立了构筑物抗浮可靠度分析力 学模型; 并对构筑物在重力荷载和浮托力作用下的 抗浮可靠度进行了分析和计算,并结合现行规范中 抗浮稳定验算的习惯做法,将抗浮可靠度换算成相 应的抗浮安全系数。 作用在底板和顶板(如有) 顶面上水下土体有效质量,合计为 构筑物抗浮可靠度分析力学模型相关规范 包括:GB 50108—2008,GB 50069— 2002,GB 50332—2002,CECS 137: 2002,GB 50157— 2003,JTJ 252—87,JTJ 307—2001,SL 265—2001,SL 266—2001,GB 50265—2010,DL 规定:抗浮稳定安全系数均等于抗浮效应标准值除 以上浮效应标准值。 对于抗浮效应中自质量荷载标准值的确定,有 的规范规定为: 可按结构构件的设计尺寸与材料平 均容重计算确定,对于自质量变异性较大的材料和 构件,容重标准值应根据对结构的不利状态,取平均 容重的上限值或下限值; 也有规范规定为: 可按结构 构件的设计尺寸与材料平均容重进行计算; 还有规 范规定为: 可按结构构件的设计尺寸与材料的标准 容重进行计算,其中有的材料标准容重采用容重的 平均值,而大体积混凝土标准容重采用其容重概率 分布的 分位值,相关土石料压实后干容重的标准容重则采用其容重概率分布的 对于上浮效应标准值计算水位的取值,各规范对地下水均规定取设计时间段内可能的最高水位,对地 表水均规定取设计时间段内相应保证率高水位。 依据工程结构可靠性设计的基本理 立构筑物抗浮可靠度分析力学模型;计算简图详见 所示的模型进行抗浮可靠度分析时, 采用如下合理的简化条件: Fig. Calculationdiagram G1G1 G2 G2 重力荷载和浮托力作用下构筑物抗浮可靠性分析 不考虑构筑物侧面土体摩阻力 设施(如锚桩、锚索等) 取水的容重为常数[10] 均为常量,δ ,供对比分析使用。根据 为同一个水体产生的不同方向的作用效应; 如构筑物位于同一 水体中,或 构筑物几何参数作为确定性变量,以设计规定的公称值作为计算值; 内,计算水位取可能的最高水位( 或设计时间段内相应保证率的高水位) ,且为 一个固定值; 相互独立的随机变量(其中 或完全相关、或完全独立) ,且均服从正态分布。则构筑物上浮总效 应为 F。令构筑物抗浮总效应为 抗浮可靠指标为β,可得 [6,9] 南昌大学学报(工科版) 2012 作用对只有 为不同水体产生的不同方向的作用效应; 为构筑物内部盛水的重量,F 为构筑物外部水体产生的浮托力,构筑 物内外部水体互相隔绝,此时有: 析,此时,α 07;可得 当成常量,所以总抗浮效应的变异性 ,抗浮效应更容易得到保证,反应在[K ]上,可以取较低的值。这与可靠性设计理论吻合。 设想一条矩形截面的钢筋混凝土沉管隧道坐落 在河床上,浸没在 220kN,水的容重为 10 kN 的作用、F中包含渗透压力的构 及渗透压力的作用机制和变异性均较为复杂,工程界至今仍未取得统一意见,故目前按上述方法 进行抗浮稳定分析尚不具备条件; 该问题有待今后 作进一步的研究。 一般而言,上浮破坏为渐进过程,可以看成延性 破坏; 则对一般的构筑物,取 20。对一般的钢筋混凝土构筑物,根据规范 [8,10] ,当混凝土( 或钢筋 混凝土) 容重标准值采用其容重概率分布的 02;因构筑物的 进行验算,其结果不尽相同,有 200kN,K 10,满足抗浮稳定要求;而有的结果其 250kN,底部浮托力 450kN,K 500kN,F 700kN,K 03;隧道抗浮稳定不满足要求,且随着 反而减小。隧道抗浮稳定是 人工填土取大值;下同) 。本文均取 08;并将它们带入式( 03;同时不难证明: 然满足要求。这表明在不考虑风浪等因素的影响下,对完全 淹没在静水中的隧道,其抗浮稳定性不受隧道顶部 水深变化影响。其结果与工程经验相吻合,同时也验 各规范中构筑物抗浮稳定标准对比分析 作用考虑最简单的一种工况: 对底板不外挑,且周围 无土的构筑物,在 作用根据工程 可以得到同样的结果: 07。可见,对符合上述条件的构筑物,如果采用抗浮安全系数的概念进行抗 2,0如果 05;如果 50069—2002中要求抗浮安全系数不小于 构筑物抗浮可靠度分析及抗浮安全系数取值35 增大,α 增大,稳定性的实际状态。 11;用可靠度分析方法可以较为准确地反应构筑物抗浮 稳定性的实际状况,更好地指导工程设计。 进行抗根据式( ,通过分析[11] 10;对开槽埋设的钢筋混凝土沉管隧道,建 相同。对钢管,一般均需依靠管顶覆土的自质量来保 证抗浮稳定,并且宜根据式( 进行计算。根据工程经验,一 ]相同,但上浮效应的计算水位应取施工工况时间段内的最高水位。 05的要求偏低; 相比而言,规范[13]的标准相对 较高,相关规定较为合适。 参考文献: 对顶管施工的钢管,可取 10;对开槽埋设 30。对钢筋混凝土 进行抗浮稳定验算。根据工程经验,管道的壁厚与直径( 或跨度) 之比一般为 或盾构)施工的管道,可取 关于结构抗浮安全系数的对比分析[J].煤炭 工程,2008( 不同规范结构抗浮安全系数的比较[J]. 特种结构,2007,24( 地下结构抗浮方案评价指标体系的建立[J].扬州 大学学报: 自然科学版,2009,12( 水闸闸室抗浮稳定承载能力极限状 态分项系数套改研究[J]. 西北水电,2010 考虑围护摩阻力的地铁车站结构抗浮安全设计[J]. 283.GB 50153—2008 工程结构可靠性设计统一标准 北京:中国建筑工业出版社,2009. 由上可见:有些规范对钢管和开槽埋设的钢筋 混凝土管道的抗浮稳定要求可能偏低。对钢筋混凝 土沉管隧道的抗浮问题,文献[12]中提出: 5,计算时一般不考虑两侧填土所产生的摩擦力;从本文的分析不难看出,该要求具有一定的合理性。 偏安全考虑,建议对开槽埋设的钢筋混凝土沉管隧 道,应取 20。另外,根据规范 ]相同,但上浮效应的计算水位应取施工( 或临时) 工况时间段内的最高水位, 因此,规范[13]的规定较为合适。 GB50199—94 标准[S]. 北京: 中国计划出版社,1994. GB 50158—92 港口工程结构可靠度设 北京:中国计划出版社,1993. 浙江大学数学系高等 数学教研组编. 概率论与数理统 北京:高等教 育出版社,1989. [10]DL 5077—1997 水工建筑物荷载设计规 中国电力出版社,1998.[11] 同济大学数学教研室. 高等数学[M]. 北京:高等 教育出版社,1988. [12] 构筑物抗浮牵涉到多方面的因素,一般情况[13] SL 266—2001 水电站厂房设计规范[S]. 北京: 中国 水利水电出版社,2001. 下,采用单一安全系数法难以准确反映构筑物抗浮

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    安全系数
    2019-10-09 16:39
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