某水電站主廠房鋼管混凝土組合結構設計

張承業

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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某水電站主廠房鋼管混凝土組合結構設計

張承業

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

摘要：為復核某水電站主廠房新型鋼-混凝土組合結構設計的合理性，通過SAP2000結構軟件計算對該結構進行了分析研究，結果表明該結構設計滿足規程規范要求，為設計提供了依據。

關鍵詞：SAP2000；鋼-混凝土；組合結構

鋼管混凝土組合柱具有承載力能力高、抗震性能好、快速施工、一次成型的優點，缺點是造價較為高昂。洪家渡水電站(2004年建成)廠房上部結構首次采用鋼管混凝土排架結構以來開始受到水電站廠房建設的重視，但可供借鑒的設計經驗不多。由于本案例水電站場地地震烈度高，設防烈度為8度，地面廠房主廠房跨度大，鋼管排架柱間距大，荷載情況較為復雜，排架柱的強度、剛度和穩定性對整個廠房的安全具有重要的影響。為了保證該水電站主廠房新型鋼管混凝土組合結構的安全性、可靠性、合理性及功能性，本研究利用SAP2000結構軟件對組合結構進行了研究分析。

1計算案例簡介

本水電站廠房主要由安裝間、1號主機間、2號主機間組成，長度分別為32.7 、19.4和19.4 m，跨度相同均為24.1 m。

水電站因急于投產發電，主廠房上部架構采用鋼管混凝土柱組合結構。初擬鋼管混凝土柱等間距布置，8根吊車梁簡支于柱上，柱體外側由鋼板焊接而成，內填C40F200W4(一級配)混凝土。橫剖面、平面布置見圖1，排架柱上、下柱體截面尺寸分別為1.1 m×1.1 m、1.8 m×1.4 m，長邊、短邊鋼板厚度分別為16 mm和22 mm。

圖1　主廠房橫剖面圖　　　單位：mm

2荷載及工況組合

2.1計算荷載

(1) 恒載

包括屋面均布恒載，網架自重0.5 kN/m2，以及鋼管混凝土組合柱自重。

(2) 活載屋面雪載

均布活載為0.50 kN/m2。

(3) 風載

基本風壓0.4 kN/m2，按最不利方向施加4 kN/m。

(4) 吊車荷載

主廠房吊車起重機參數250 t/63 t/2×10 t單小車橋式起重機，輪距如圖2。

圖2　吊車輪距示意圖　　單位：mm

1) 根據要求，鋼管混凝土排架柱在施工階段起吊重量按30 t計算，吊車最大輪壓、最小輪壓為：

上游側最大輪壓P上max=16.9 t,上游側最小輪壓P上min=8.5 t；

下游側最大輪壓P下max=17.55 t，下游側最小輪壓P下min=9 t。

2) 正常運行時吊車最大輪壓、最小輪壓為：

上游側最大輪壓P上max=45 t,上游側最小輪壓P上min=8.5 t；

下游側最大輪壓P下max=43.2 t，下游側最小輪壓P下min=8 t。

3) 據此吊車對排架柱作用力(考慮豎向荷載增大系數1.05、動力荷載系數1.04)

吊車對下柱的最大豎向作用力為2 622.7 kN；

吊車對下柱的最大水平橫向剎車力為145 kN；

吊車對下柱的最大水平縱向剎車力為50.4 kN；

吊車空載下對柱的最大豎向作用力為900 kN；

施工期吊車梁的最大豎向作用力為943.4 kN；

施工期吊車對柱的最大水平橫向剎車力為60 kN；

施工期吊車梁的最大水平縱向剎車力為21 kN；

吊車梁工作制為輕級。

(5) 地震作用(SE)

反應譜采用GB50011-2010規范譜, 采用底部剪力分配法計算，地震信息：設防地震分組為第2組，8度設防烈度(加速度0.2g), Ⅰ0類場地類別,二級抗震等級。

2.2荷載作用分項系數

(1) 結構重要性系數0.9。

(2) 荷載分項系數：橫載當對結構有利時取1.0，不利時取1.2～1.35，活載和水平地震分別取1.3、1.0。

2.3工況組合

2.3.1承載能力極限狀態驗算荷載組合

(1) 1.2恒載+1.3活載+1.2(30 t)吊車豎向荷載+1.2水平橫向荷載+1.3風載 (施工前期，C1);

(2) 1.2恒載+1.3活載+1.2(30 t)吊車豎向荷載+1.2水平縱向荷載+1.3風載 (施工前期，C2);

(3) 1.2恒載+1.3活載+1.2吊車豎向荷載+1.2水平橫向荷載+1.3風載(C3);

(4) 1.2恒載+1.3活載+1.2吊車豎向荷載+1.2水平縱向荷載+1.3風載(C4);

(5) 1.2恒載+1.3活載+1.2吊車豎向荷載+1.3風載 +1.0地震荷載(y)(C5);

(6) 1.2恒載+1.3活載+1.2吊車豎向荷載+1.3風載 +1.0地震荷載(x)(C6)。

2.3.2正常使用極限狀態驗算荷載組合

(1) 1.0恒載+1.0活載+1.0施工期吊車豎向荷載+1.0施工期橫向水平荷載+1.0風載(施工，C7)；

(2) 1.0恒載+1.0活載+1.0運行期吊車豎向荷載+1.0橫向水平荷載+1.0風載(C8)；

(3) 1.0恒載+1.0活載+1.0施工期吊車豎向荷載+1.0施工期縱向水平荷載+1.0風載(施工，C9)；

(4) 1.0恒載+1.0活載+1.0運行期吊車豎向荷載+1.0縱向水平荷載+1.0風載(C10)。

3結構分析

本計算采用SAP2000結構軟件對上述結構進行分析，計算中外力有屋面網架橫載、屋面雪荷載、風荷載、吊車荷載以及地震作用，模擬了6組工況組合進行承載能力極限狀態驗算，4組工況組合進行正常使用極限狀態驗算，依照規范對結構強度、穩定性及變形進行了復核。

3.1內力復核

本計算采用6組工況組合進行了內力復核，結果見表1。

表1　承載能力極限狀態下各柱內力表

3.2施工期純鋼結構局部穩定性復核

3.3運行期鋼管混凝土組合結構強度及穩定性復核

運行期鋼管混凝土柱需滿足承載力及穩定性要求，依據CECS159:2004《矩形鋼管混凝土結構技術規程》[2]計算公式，計算結果均小于允許值1.0，滿足要求。

3.4正常使用極限狀態下驗算

本計算采用4組工況組合進行了正常使用極限狀態驗算，結果見表2。

4細部設計

(1) 基礎設計

為增強基礎剛度，在鋼管混凝土柱與基礎之間增設45根插筋，預先澆筑于基礎里面，待鋼管混凝土柱吊裝到位后灌注混凝土固定[3-4]。

表2　正常使用極限狀態下關鍵部位位移值表

(2) 永久縫設計

安裝間、1號主機間、2號主機之間存在混凝土永久縫面，但上部為整體鋼結構，為了限制縫面錯動位移對上部結構的破壞，在縫面處設置了穿插縫面插筋。同時為適應縫面冷縮，對插筋進行瀝青涂抹并裹塑料布保護[5-6]。

(3) 聯系鋼梁設計

因構造要求鋼管混凝土柱體間設置3層H形聯系鋼梁，并在上下柱間設置斜支撐，由交叉工形鋼梁組成[7-8]。

5結語

本研究通過SAP2000結構設計軟件對廠房鋼管混凝土排架柱進行結構分析，分析得到了結構內力、變形。依照規程規范對結構強度、穩定性及變形進行了復核，計算結果表明廠房鋼管混凝土排架柱結構合理，為設計提供了依據。目前該項目已建成發電，主廠房鋼管混凝土組合柱結構運行良好。

參考文獻:

[1]GB50017—2003,鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[2]CECS159:2004,矩形鋼管混凝土結構技術規程[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[3]覃麗鈉，李明衛.矩形鋼管混凝土柱在水電站廠房中的應用[J].貴州水力發電，2011,25(6):12-16.

[4]孫粵琳,張燎軍,冉懋鴿.洪家渡水電站廠房矩形鋼混柱接觸分析研究[J].三峽大學學報(自然科學版)，2004(6):497-500.

[5]孫粵琳,張燎軍,冉懋鴿.矩形鋼管混凝土柱溫度場及溫度應力的有限元分析[J].水利水電科技進展，2005(5):33-36.

[6]盧羽平,張燎軍,冉懋鴿.洪家渡水電站廠房矩形鋼管混凝土疊合柱抗震分析[J].華北水利水電學院學報，2005(1):35-38.

[7]徐政.洪家渡水電站廠房矩形薄壁鋼管混凝土組合柱試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2005.

[8]周燁.鋼管混凝土柱在水電站廠房結構中的應用[D].長沙：長沙理工大學，2013.

Design of Combined Structure of Penstock and Concrete in Powerhouse

ZHANG Chengye

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:By application of SAP200 software, analysis and study are performed to recheck the design reasonability of the new steel - concrete combined structure of the powerhouse of one hydropower project. The study presents that the structural design satisfies requirements of specification. This provides design with basis.

Key words:SAP2000; reinforced concrete; combined structure

中圖分類號：TU398.9

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.009

作者簡介：張承業(1982- )，男，安徽省安慶市人，工程師，主要從事水電站水工設計工作.

收稿日期：2016-01-20

文章編號：1006—2610(2016)02—0030—03