水電站廠房框架—剪力墻結構的靜力分析

框架-剪力墻結構將框架結構和剪力墻結合，亦稱為框剪結構。此結構中剪力墻的側向剛度遠大于框架結構的側向剛度[1]。對于水電站廠房結構，框架結構若要滿足側向剛度要求，則需加大結構截面尺寸和空間尺寸才能滿足框架結構的剛度要求和布置要求，從而導致其整體結構龐大;另一方面，剪力墻結構不易形成大空間，從而為廠房設計和建設帶來諸多不便[2]。框剪結構既能提供較大的使用空間，又具有較好的抗側性能，提高抗震性能。近年來，廠房上部結構越來越多采用框剪結構，本文計算框剪結構在正常工況下的應力和應變，是否滿足設計要求。

1 工程概況

某水電站工程為引水式電站，裝機容量2×60.5MW。主要建筑物有溢流堰(壩)、進水口、引水壓力隧洞、電站廠房及開關站等。水庫最大運行水位1239.00m，引水壓力隧洞長約2400m，最大設計水頭780m(含水擊壓力)，電站廠房為地面式廠房，安裝兩臺6噴嘴立軸沖擊式水輪發電機，機組安裝高程554.00m。副廠房布置在主廠房上游，主副廠房間未設置永久結構縫，主副廠房長40m，主廠房寬14.2m，副廠房寬8.0m，發電機層高程 557.95m，主機層高程 562.45m，在主機層562.45m 以上，副廠房高13.2m，共設3 層;主廠房高12.45m。

材料參數:鋼筋混凝土的重度:c=25kN/m3;水泥砂漿的重度:=20kN/m3;混凝土的強度等級:C30，抗壓強度標準值20.1MPa，抗拉強度標準值為2.01MPa;混凝土的彈性模量:Es=30000GPa;混凝土的泊松比:μ=0.167;鋼筋的強度等級:HRB400;鋼筋的強度標準值:fy=400MPa;鋼筋的彈性模量:Es=20000MPa;鋼筋的泊松比:μ=0.27。

結構荷載:結構及設備自重;各層樓板裝修層固定荷載:發電機層為2kN/m2，其它層為1kN/m2;活荷載:屋面活荷載為5kN/m2，發電機層活荷載為50kN/m2，其它層活荷載為10kN/m2;吊車荷載:在滿載情況下的最大輪壓為Pmax=330kN;在滿載情況下的最小輪壓為Pmin=293kN。

有限元模型.廠房模型計算范圍以水輪機層為基礎，向下延伸1.5倍廠房高度;以廠房四周邊墻為界限，向四周延伸一倍廠房高度。模型坐標系選取為順水流為x向，指向下游為正方向，垂直水流方向為y向，指向左側為正方向，豎直方向為z向，向上為正方向。

模型采用線性計算，故地基與混凝土單元都選Solid45單元[3]。線性計算中假定混凝土和地基材料為均質彈性、各向同性的連續體。該有限元模型中，單元多數采用8節點六面體單元，只有極個別不規則單元采用6節點五面體單元。單元大小在不同部位有所不同，在混凝土結構中，控制單元大小尺寸一般不大于100cm×100cm×100cm，距離混凝土結構較遠的地基單元尺寸則逐漸放大。計算模型因主要研究廠房上部結構，所以在選取模型范圍時，對下部結構在確保計算精度的同時，簡化結構模型。整個模型單元總數85446個，節點數116408個，有限元計算模型。

2 計算結果分析

因為模型較大，結構的板梁很多，結構整體應力云圖不能直觀反映內部應力應變情況，為了清楚表達廠房內部各結構的具體情況，將廠房板梁從高程上分三個層(▽561.70m ～▽562.50m、▽566.90m ～▽567.70m 及▽570.90m～▽571.70m、▽573.65m～▽575.70m)，而廠房上下游邊墻、左右側邊墻及主副廠房間的隔墻也獨立出來，具體分析。因副廠房中間兩層板梁的結構、配筋和荷載相同，所以板梁結構的結果云圖中只給出其中一層結構的結果云圖(▽570.90m～▽571.70m)。

從應力應變結果及云圖分析可知:

(1)副廠房結構.副廠房梁結構最大拉應力為4.15MPa(▽566.90m～▽ 567.70m 的 X 向)，板結構最大拉應力為 3.18MPa(▽566.90m～▽567.70m的Y向);副廠房水平向位移都很小，最大值為-0.6mm(X向)，豎向最大位移 -2.9mm(副廠房頂板跨中部位)。(2)主廠房結構.主廠房梁結構出現最大拉應力為7.34MPa(發電機層的Y向)，板結構出現最大拉應力為3.45MPa(發電機層的Y向);而對于整體廠房結構，出現的7.34MPa拉應力的部位在發電機層1#機組右側孔洞拐角，應力集中比較明顯。主廠房水平向位移都很小，最大值為-0.7mm，豎向最大位移-4.9mm(屋頂板中部的跨中)。(3)邊墻結構.廠房邊墻結構的最大拉應力為4.90MPa(▽566.90m～▽567.70m的X向)，而其它部位未有超過1.42MPa的拉應力。其水平位移最大值為0.9mm(屋頂主梁與下游中部邊墻結合處，X向)，豎向最大位移值為-1.6mm。(4)結構的第一、第三主應力.第一、第三主應力都存在個別應力集中現象，這些部位多出現在主次梁結合處、梁與邊墻結合處、板與邊墻的結合處。

對第一主應力:板梁結構應力集中部位的值在 5.35MPa～7.45MPa區間，個別梁的跨中主應力值在 2.19MPa～4.30MPa區間，其它部位主應力值多分布在-0.96MPa～2.19MPa區間;墻體結構應力集中部位的值在3.24MPa～4.93MPa區間，其它部位主應力值多分布在 -0.35MPa～1.93MPa區間。

對第三主應力:整個結構的應力集中部位的主應力值在-10.07MPa～ -12.65MPa，其它部位主應力值多分布在 -3.70MPa ～0.77MPa區間。

3 結論

廠房部分結構產生的最大拉應力都超過了混凝土的允許抗拉強度，需要配置受拉鋼筋，未超過混凝土的允許抗拉強度的部位只需要按照結構配筋即可;主廠房出現7.34MPa拉應力的發電機層處，有應力集中存在，其它類似部位也存在不同程度集中應力，但都相對較小。

對于該結構的位移變形情況，水平向最大位移值為0.7mm，相對于豎向位移要小，所以該工況水平向位移對結構影響不大。其豎向位移最大絕對值4.9mm＜l0/250=18.7mm。符合《水工混凝土結構設計規范》中關于屋蓋設計的允許撓度值的要求。

[1]李大軍，晉向平.剪力墻的研究現狀[J].大同職業技術學院學報，2001.6.

[2]王世夏.水工設計的理論和方法[M].北京:中國電力出版社，2000，P288 ～P306.

[3]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學出版社，2003.

[4]王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐[M].西安:西北工業大學出版社，1999，P49 ～P68.

[5]DL/T 5057-2009，水工混凝土結構設計規范[S].北京:中華人民共和國國家能源局，2009.