某水電站主廠房鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張承業(yè)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張承業(yè)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065)

摘要：為復(fù)核某水電站主廠房新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，通過SAP2000結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足規(guī)程規(guī)范要求，為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SAP2000；鋼-混凝土；組合結(jié)構(gòu)

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(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是造價(jià)較為高昂。洪家渡水電站(2004年建成)廠房上部結(jié)構(gòu)首次采用鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu)以來開始受到水電站廠房建設(shè)的重視，但可供借鑒的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多。由于本案例水電站場(chǎng)地地震烈度高，設(shè)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(fù)雜，排架柱的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)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(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、合理性及功能性，本研究利用SAP2000結(jié)構(gòu)軟件對(duì)組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析。

1計(jì)算案例簡(jiǎn)介

本水電站廠房主要由安裝間、1號(hào)主機(jī)間、2號(hào)主機(jī)間組成，長(zhǎng)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(chǎn)發(fā)電，主廠房上部架構(gòu)采用鋼管混凝土柱組合結(jié)構(gòu)。初擬鋼管混凝土柱等間距布置，8根吊車梁簡(jiǎn)支于柱上，柱體外側(cè)由鋼板焊接而成，內(nèi)填C40F200W4(一級(jí)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(zhǎng)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(jì)算荷載

(1) 恒載

包括屋面均布恒載，網(wǎng)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(fēng)載

基本風(fēng)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(jī)參數(shù)250 t/63 t/2×10 t單小車橋式起重機(jī)，輪距如圖2。

圖2　吊車輪距示意圖　　單位：mm

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

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

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

2) 正常運(yùn)行時(shí)吊車最大輪壓、最小輪壓為：

上游側(cè)最大輪壓P上max=45 t,上游側(cè)最小輪壓P上min=8.5 t；

下游側(cè)最大輪壓P下max=43.2 t，下游側(cè)最小輪壓P下min=8 t。

3) 據(jù)此吊車對(duì)排架柱作用力(考慮豎向荷載增大系數(shù)1.05、動(dòng)力荷載系數(shù)1.04)

吊車對(duì)下柱的最大豎向作用力為2 622.7 kN；

吊車對(duì)下柱的最大水平橫向剎車力為145 kN；

吊車對(duì)下柱的最大水平縱向剎車力為50.4 kN；

吊車空載下對(duì)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(duì)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(jí)。

(5) 地震作用(SE)

反應(yīng)譜采用GB50011-2010規(guī)范譜, 采用底部剪力分配法計(jì)算，地震信息：設(shè)防地震分組為第2組，8度設(shè)防烈度(加速度0.2g), Ⅰ0類場(chǎng)地類別,二級(jí)抗震等級(jí)。

2.2荷載作用分項(xiàng)系數(shù)

(1) 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.9。

(2) 荷載分項(xiàng)系數(shù)：橫載當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)取1.0，不利時(shí)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(tài)驗(yàn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)載(C4);

(5) 1.2恒載+1.3活載+1.2吊車豎向荷載+1.3風(fēng)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(fēng)載 +1.0地震荷載(x)(C6)。

2.3.2正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)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(fēng)載(施工，C7)；

(2) 1.0恒載+1.0活載+1.0運(yùn)行期吊車豎向荷載+1.0橫向水平荷載+1.0風(fēng)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(fēng)載(施工，C9)；

(4) 1.0恒載+1.0活載+1.0運(yùn)行期吊車豎向荷載+1.0縱向水平荷載+1.0風(fēng)載(C10)。

3結(jié)構(gòu)分析

本計(jì)算采用SAP2000結(jié)構(gòu)軟件對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算中外力有屋面網(wǎng)架橫載、屋面雪荷載、風(fēng)荷載、吊車荷載以及地震作用，模擬了6組工況組合進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，4組工況組合進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，依照規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形進(jìn)行了復(fù)核。

3.1內(nèi)力復(fù)核

本計(jì)算采用6組工況組合進(jìn)行了內(nèi)力復(fù)核，結(jié)果見表1。

表1　承載能力極限狀態(tài)下各柱內(nèi)力表

3.2施工期純鋼結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性復(fù)核

3.3運(yùn)行期鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性復(fù)核

運(yùn)行期鋼管混凝土柱需滿足承載力及穩(wěn)定性要求，依據(jù)CECS159:2004《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果均小于允許值1.0，滿足要求。

3.4正常使用極限狀態(tài)下驗(yàn)算

本計(jì)算采用4組工況組合進(jìn)行了正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，結(jié)果見表2。

4細(xì)部設(shè)計(jì)

(1) 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)基礎(chǔ)剛度，在鋼管混凝土柱與基礎(chǔ)之間增設(shè)45根插筋，預(yù)先澆筑于基礎(chǔ)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(tài)下關(guān)鍵部位位移值表

(2) 永久縫設(shè)計(jì)

安裝間、1號(hào)主機(jī)間、2號(hào)主機(jī)之間存在混凝土永久縫面，但上部為整體鋼結(jié)構(gòu)，為了限制縫面錯(cuò)動(dòng)位移對(duì)上部結(jié)構(gòu)的破壞，在縫面處設(shè)置了穿插縫面插筋。同時(shí)為適應(yīng)縫面冷縮，對(duì)插筋進(jìn)行瀝青涂抹并裹塑料布保護(hù)[5-6]。

(3) 聯(lián)系鋼梁設(shè)計(jì)

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

5結(jié)語

本研究通過SAP2000結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件對(duì)廠房鋼管混凝土排架柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，分析得到了結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形。依照規(guī)程規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形進(jìn)行了復(fù)核，計(jì)算結(jié)果表明廠房鋼管混凝土排架柱結(jié)構(gòu)合理，為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。目前該項(xiàng)目已建成發(fā)電，主廠房鋼管混凝土組合柱結(jié)構(gòu)運(yùn)行良好。

參考文獻(xiàn):

[1]GB50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[2]CECS159:2004,矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[3]覃麗鈉，李明衛(wèi).矩形鋼管混凝土柱在水電站廠房中的應(yīng)用[J].貴州水力發(fā)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(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(chǎng)及溫度應(yīng)力的有限元分析[J].水利水電科技進(jìn)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(xué)院學(xué)報(bào)，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(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[8]周燁.鋼管混凝土柱在水電站廠房結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，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(hào)：TU398.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.009

作者簡(jiǎn)介：張承業(yè)(1982- )，男，安徽省安慶市人，工程師，主要從事水電站水工設(shè)計(jì)工作.

收稿日期：2016-01-20

文章編號(hào)：1006—2610(2016)02—0030—03