白鶴灘水電站大跨度地下廠房吊頂拱梁結構計算分析*

趙修龍 方 丹 李良權

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

白鶴灘水電站為金沙江下游四大梯級電站的第二級，位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內交界的河段[7,8]，白鶴灘水電站發電廠房位于左、右岸地下山體中，各布置8臺單機容量1 000 MW的水輪發電機組，單機容量位居世界第一，電站總裝機容量為16 000 MW，是目前世界上在建規模最大的水電站[9,10]。白鶴灘水電站主廠房吊頂結構沿廠房縱軸線方向總長為406 m，跨度為34 m，是目前世界上已建及在建跨度最大地下廠房吊頂結構，其中拱梁內半徑為27.225 m，頂高程為619.39 m，上下游邊墻拱梁底高程為613.20 m。其吊頂結構采用外包鋼現澆混凝土疊合板梁結構，該結構由吊頂支撐系統[11,12]、外包鋼—混凝土拱梁、閉口壓型鋼板和混凝土肋板組成，吊頂結構如圖1所示。吊頂沿廠房縱軸線方向共布置118榀外包鋼—混凝土拱梁，拱梁中心間距為3.75 m。拱梁支撐在上下游兩側吊頂支撐柱上，并與吊頂錨桿連接，拱梁之間鋪設閉口壓型鋼板作為模板，其上澆筑混凝土肋板作為吊頂底板[13]。

2 吊頂拱梁結構組成

吊頂拱梁采用外包鋼—混凝土結構，拱梁斷面為矩形，設計尺寸為500 mm×650 mm，弧長為34.95 m，矢高約為5.4 m。拱梁由4榀通長等邊角鋼、限位箍筋、斜拉腹桿、內部對角加強角鋼等組成的空腹式鋼結構骨架，外包軋制薄鋼板，內部填充混凝土，形成拱梁完整結構(見圖2)，梁端與上下游支撐柱頂預埋鋼構件連接形成雙鉸拱結構，梁上部與吊頂錨桿通過吊頂拉桿連接。鋼結構骨架中的4榀通長等邊角鋼型號選取∠125×12，限位箍筋為三級鋼筋C12，間距為150 mm，斜拉腹桿采用三級鋼筋C20，內部對角加強角鋼型號選取∠75×8，間距為1.5 m。外包軋制薄鋼板由包圍拱梁兩側及底部的三塊薄鋼板焊接而成，沿通長等邊角鋼長度方向通長布置，鋼板厚度為4 mm。拱梁內部填充混凝土強度等級為C30，混凝土內無需配筋。

3 吊頂拱梁結構計算分析

3.1 材料參數

混凝土強度等級為C30，彈性模量Ec=3.0×104MPa，抗壓強度fc=14.3 MPa，抗拉強度ft=1.43 MPa。

鋼筋選用HRB400，強度設計值fy=360 N/mm2。

鋼材為Q235鋼，彈性模量E=2.0×105N/mm2，密度ρ=78.5 kN/m3，抗拉、抗壓、抗彎強度f=215 N/mm2，抗剪強度fv=125 N/mm2。

角鋼型號為4根∠125×12，單根角鋼截面面積為28.91 cm2，總截面面積為115.64 cm2，單根角鋼的截面慣性矩423.16 cm4，組合結構的截面慣性矩I=96 745 cm4,骨架梁的抗拉剛度EA=2.313×106kN，骨架梁的抗彎剛度EI=1.935×105kNm2。

吊頂錨桿直徑為C32，截面面積為804.2 mm2，抗拉剛度為EA=1.608×105kN，抗彎剛度EI=10.3 kNm2。

3.2 工況說明

吊頂拱梁結構計算分為以下三種工況進行：

工況一：施工期考慮吊頂錨桿作用工況，該工況由鋼拱梁和吊頂錨桿聯合受力，共同承擔結構自重及混凝土澆筑施工階段所有荷載；

工況二：施工期不考慮吊頂錨桿作用工況，該工況由鋼拱梁獨自承擔結構自重及混凝土澆筑施工階段所有荷載，將吊頂錨桿作為鋼拱梁承載力的裕度儲備；

工況三：運行期不考慮吊頂錨桿作用工況，該工況由拱梁中的鋼結構和混凝土共同承擔結構自重及吊頂上風管等設備及運行期活荷載等所有荷載，此時不考慮吊頂錨桿的作用。

各工況荷載組合及設計值見表1。

表1 吊頂拱梁結構計算荷載組合及設計值 kN/m

3.3 計算模型

拱梁兩端均支撐在吊頂支撐柱頂端，拱梁結構計算時將吊頂支撐柱考慮為鉸支座約束，工況一將吊頂錨桿簡化為鉸接桿件，工況二、三不考慮吊頂錨桿作用，將吊頂拱梁離散成若干節，每節均按直線梁計算，相鄰梁間剛接，計算模型見圖3,圖4。

3.4 計算結果

將相關參數及荷載值代入模型進行計算，工況一計算結果見圖5～圖7，工況二計算結果見圖8～圖10，工況三計算結果見圖11～圖13，各工況下拱梁關鍵部位計算結果見表2。

3.5 結果分析

由圖5～圖7及表2可知施工期考慮吊頂錨桿作用工況下梁整體向下變形，梁軸力均為壓力，吊頂錨桿均為拉力。拱梁鋼結構最大軸力為256.72 kN，最大彎矩為41.28 kNm，最大位移為3.12 mm，經計算，拱梁鋼結構承受壓應力為41.29 N/mm2，小于鋼材抗壓強度215 N/mm2，滿足要求。吊頂拉桿的軸力最大值為79.2 kN，經計算，吊頂拉桿拉應力為108 N/mm2，小于鋼筋抗拉強度360 N/mm2。

表2 各工況下拱梁關鍵部位計算結果

工況部位軸力/kN彎矩/kNm位移/mm工況一左端點-256.7200左拱腰-232.7441.28-3.12拱頂-196.04-28.57-2.55工況二左端點-797.9800左拱腰-744.52-66.67-1.57拱頂-660.5677.63-19.23工況三左端點-1 404.4900左拱腰-1 310.84-125.72-2.12拱頂-1 163.90116.72-11.51

由圖8～圖10及表2可知施工期不考慮吊頂錨桿作用工況下梁整體向下變形，梁軸力均為壓力。拱梁鋼結構最大軸力為797.98 kN，最大彎矩為77.63 kNm，最大位移為19.23 mm，經計算，拱梁鋼結構承受壓應力為113.3 N/mm2，小于鋼材抗壓強度215 N/mm2，滿足要求。

由圖11～圖13及表2可知運行期不考慮吊頂錨桿作用工況下梁整體向下變形，梁軸力均為壓力。拱梁鋼—混凝土結構最大軸力為1 404.49 kN，最大彎矩125.72 kNm，最大位移11.51 mm，經計算，拱梁鋼—混凝土結構能承受的最大壓力為1 867.75 kN，故滿足要求。拱梁鋼—混凝土結構撓度限值為31.45 mm，故拱梁位移在允許范圍內，滿足要求。

4 結語

本文對白鶴灘水電站大跨度地下廠房吊頂拱梁結構進行計算分析，結果表明：該吊頂拱梁結構在施工期考慮吊頂錨桿作用工況下拱梁鋼結構承載力滿足要求，吊頂拉桿承載力滿足要求，在施工期不考慮吊頂錨桿作用工況下拱梁鋼結構受力明顯增大，但承載力仍滿足要求，在運行期不考慮吊頂錨桿作用工況下拱梁鋼—混凝土結構承載力滿足要求，撓度滿足要求。該結構除了具有鋼結構本身所具有的制作簡單、施工方便等優點外，經過計算分析可知該結構還具有承載能力強的優點，無論是施工期還是運行期均能滿足承載力要求，并且有較大的安全裕度，可靠性高。因而可供同類型地下廠房吊頂拱梁結構參考。