1、吊车荷载计算第十三章水电站厂房结构分析水电站厂房结构设计的内容包括整体稳定分析、地基应力校核、构件的强度和稳定计算。第一节水电站厂房的结构特点一、水电站厂房的结构组成及作用水电站地面厂房结构可分为上部结构和下部结构两大部分。上部结构包括屋面系统、构架、吊车梁、围护结构(外墙)及楼板，基本上属板、梁、柱系统，通常为钢筋混凝土结构。上部结构设计方法与一般工业建筑相同；下部结构主要由机墩、蜗壳、尾水管、基础板和外墙组成，为大体积水工钢筋混凝土结构，其结构设计比较复杂，要符合水工钢筋混凝土规范。水电站厂房结构组成如图12-1 所示。各组成构件的作用如下：图12-1水电站厂房结构组成1屋盖结构起着围护和
2、承重等双重作用，包括： (1) 屋面板。它直接承受屋面荷载，如风、雨、雪和自重等，并将它们传给屋架或屋面大梁。 (2) 屋架或屋面大梁。它承受屋盖上的全部荷载（包括风、雨、雪和屋面板等）及屋架或屋面大梁自重，传到排架柱或壁柱上。 2吊车梁承受吊车荷载（包括起吊部件在厂房内部运行时的移动集中垂直荷载），以及吊车在起重部件时，启动或制动时产生的纵、横向水平制动荷载，并将它们传给排架柱或壁柱。 3排架柱或壁柱承受屋架或屋面大梁、吊车梁、外墙传来的荷载和排架柱或壁柱自重，并将它们传给厂房下部结构的大体积混凝土。4发电机层和安装间楼板发电机层楼板承受着自重、机电设备静荷载和人的活荷载，传给梁并部分传到厂
3、房下部结构的发电机机墩和水轮机层的排架柱。安装间楼板承受自重、检修或安装时机组荷载和活荷载，传到基础，当安装间没有下层时就传给排架柱。 5围护结构 (1) 外墙。承受风荷载，并将它传给排架柱或壁柱。 (2) 抗风柱。承受厂房两端山墙传来的风荷载，并将它传给屋架或屋面大梁和基础或厂房下部结构的大体积块体混凝土。(3) 圈梁和连系梁。承受梁上砖墙传下的荷载和自重，并传给排架柱或壁柱。6发电机机墩承受从发电机层楼板传来的荷载和水轮发电机组等设备重量、水轮机轴向水压力和机墩自重，并将它们传给座环和蜗壳外围混凝土上。7蜗壳和水轮机座环（固定导叶）将机墩传下来的荷载通过座环传到尾水管上，另外水轮机层的设备
4、重量和活荷载通过蜗壳顶板也传到尾水管上。 8尾水管承受水轮机座环和蜗壳顶板传来的荷载，经尾水管框架（尾水管顶板、闸墩、边墩和底板构成的）结构再传到基础上。二、厂房的受力和传力(一) 厂房主要荷载(1) 厂房结构自重，压力水管、蜗壳及尾水管内水重；(2) 厂房内机电设备自重，机组运转时的动荷载；(3) 静水压力：尾水压力，基底扬压力，压力水管、蜗壳及尾水管内的水压力，永久缝内的水压力，河床式厂房的上游水压力；(4) 厂房四周的土压力；(5) 活荷载：吊车运输荷载，人群荷载及运输工具荷载；(6) 温度荷载；(7) 风荷载；(8) 雪荷载；(9) 严寒地区的冰压力； (10) 地震力。厂房在施工安装
5、期、运转期和检修期的荷载是不同的。在结构计算中应根据厂房在不同工作条件下可能同时发生的荷载进行组合，并取最不利的组合作为设计的控制情况。(二) 厂房的传力途径作用于厂房的各种静、动荷载，通过各承重构件的传力途径如下：三、厂房混凝土浇筑的分期和分块1. 厂房混凝土浇筑的分期由于机组到货一般均迟于土建的施工期，为了适应水轮发电机组的安装要求，厂房中的混凝土需要分期浇筑，称为一期和二期混凝土。一期混凝土包括底板、尾水管扩散段、尾水闸墩、尾水平台、上下游边墙、厂房构架、吊车梁、部分楼板等，在施工时先期浇筑，以便利用吊车进行机组安装。二期混凝土是为了机组安装和埋件需要而预留的，要等到机组和有关设备到货后
6、、尾水管圆锥钢板内衬和金属蜗壳安装完毕后，再进行浇筑。二期混凝土包括蜗壳外围混凝土、尾水管直锥段外包混凝土、机墩、发电机风罩外壁、部分楼层的楼板。 2混凝土浇筑分层、分块水电站厂房水下部分的混凝土属于大体积块体混凝土。其特点是现场浇筑量大，结构几何形状复杂，基础高差大，对裂缝要求严格。由于受混凝土浇筑能力的限制和为了适应厂房形状的变化，因此每期混凝土要分层分块浇筑。厂房一、二期混凝土的浇筑分层、分块，视具体情况而定，一般原则如下：(1) 分层、分块必须保证机组安装方便；(2) 应分在构件内力最小部位，这常与施工方便有矛盾，不易做到；(3) 分块的大小应与混凝土的生产能力、震捣工作强度及浇筑方法
7、相适应；(4) 在保证质量的前提下，混凝土分块尽量大些高些，以加快施工进度；(5) 分块必须尽量使工作过程具有最大的重复性，以简化施工和重复利用模板。同时最有效地利用机械设备。图12-2表示了厂房混凝土浇筑的分期和分块，图中数字“”、“”分别代表一、二期混凝土，其下标序数说明浇筑的先后次序。四、厂房结构的分缝和止水1分缝水电站厂房为防止不均匀沉陷，减小下部结构受基础约束产生的温度和干缩应力，必须沿厂房长度方向设置伸缩缝和沉降缝，如图12-3所示。通常两缝合一，称为沉降伸缩缝。此种缝一般都是贯通至地基，只在地基相当好时，伸缩缝才仅设在水上部分，但也需每隔数道伸缩缝设一道贯通地基的沉降伸缩缝。伸缩
8、缝和沉降缝统称为永久缝；根据施工条件设置的混凝土浇筑缝，称为施工缝，是一种临时缝。图12-2厂房混凝土分期分块图图12-3主副厂房、安装间、尾水平台间的分缝岩基上大型厂房通常一台机组段设一永久缝，中小型水电站可增至23台机组设一条永久缝。在安装间与主机房之间、主副厂房高低跨分界处，由于荷载悬殊，需设沉降缝。坝后式厂房的厂坝之间常沿整个厂房的上游外侧设一条贯通地基的纵缝。永久缝的宽度一般为12cm，软基上可宽一些，但不超过6cm。2止水厂房水上部分的永久缝中常填充一定弹性的防渗、防水材料，以防止在施工或运行中被泥沙或杂物填死和风雨对厂房内部的侵袭。厂房水下部的永久缝应设置止水，以防止沿缝隙的渗漏
9、，重要部位设两道止水，中间设沥青井。止水布置主要取决于厂房类型、结构特点、地基特性等，应采用可靠、耐久而经济的止水型式。第二节厂房整体稳定及地基应力厂房整体稳定和地基应力计算的内容一般包括沿地基面的抗滑稳定、抗浮稳定和厂基面垂直正应力计算。河床式厂房本身是挡水建筑物，厂房地基内部存在软弱层面时，还应进行深层抗滑稳定计算。厂房在运行、施工和检修期间，在抗滑、抗倾与抗浮方面必须有足够的安全系数，以保证厂房的整体稳定性。厂房地基应力必须满足承载能力的要求，不允许发生有害的不均匀沉陷。河床式厂房直接承受上游水压力，在确定地下轮廓线、校核整体稳定性和地基应力时，基本原则与混凝土重力坝及水闸相似。但因厂房
10、机电设备多，结构形状复杂，故必须以两个永久缝之间或一个机组段长度为计算单元，进行稳定分析和地基应力计算时，不能取单宽进行计算。厂房有大量的二期混凝土，并可能有分期安装问题，故在机组安装前后荷载变化较大，确定荷载与荷载组合时也有其特点。一、荷载及其组合(一) 荷载作用在水电站厂房上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类。1基本荷载：厂房结构及永久设备自重；回填土石重；正常蓄水位或设计洪水位情况下的静水压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的扬压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的浪压力；淤沙压力；土压力；冰压力；其它出现机会较多的荷载。2特殊荷载：校核洪水位或检修水位情况下的静水压力；相应于校
11、核洪水位或检修水位情况下的扬压力；相应于校核洪水位或检修水位情况下的浪压力；地震力；其它出现机会较少的荷载。作用在厂房上的静水压力应根据厂房在不同的运行工况下的上、下游水位确定。(二) 荷载组合厂房整体稳定分析的荷载组合可按表12-1规定采用。厂房稳定和地基应力计算要考虑厂房施工、运行和扩大检修期的各种不利情况。1正常运行对河床厂房来说，a1组合情况下厂房承受的水头最大；a2组合情况下扬压力最大，对稳定不利。对坝后式厂房和引水式厂房来说，引起稳定问题的水平荷载为下游水压力，因此正常运行情况中取下游设计洪水位进行组合。表12-1 厂房整体稳定分析的荷载组合荷载组合计算情况水 位 选 取荷 载 类
12、 别附注结构自重永久设备重回填土石重水重静水压力扬压力浪压力泥沙压力土压力冰压力地震力基本组合正常运行a1上游正常蓄水位和下游最低水位a2上游设计洪水位和下游相应水位b下游设计洪水位特殊组合机组检修a上游正常蓄水位和下游检修水位b下游检修水位机组未安装a上游正常蓄水位或设计洪水位和下游相应水位b下游设计洪水位非常运行a上游校核洪水位和下游校核洪水位b下游校核洪水位地震情况a上游正常蓄水位和下游最低水位b下游满载运行水位注：表中a适用于河床厂房，b适用于坝后和引水厂房。2机组检修河床式厂房机组检修情况下机组设备重不考虑，厂房承受的水头大，而厂房的重量轻，只有结构自重和水重，对稳定不利。3机组未安
13、装厂房施工一般是先完成一期混凝土浇筑和上部结构，以后顺序逐台安装机组并浇筑二期混凝土，机组安装周期较长，如机组是分期安装的，厂房的施工安装或更长，所以要进行机组未安装时的稳定计算。在这种计算情况中，二期混凝土和设备重不计，厂房重量最轻，而厂房已经承受水压，对抗滑和抗浮不利。如厂房位于软基上，地基承载力低，施工期还需考虑本台机组已安装，而吊车满载通过的情况，如厂房尚未承受水压，则厂基面无扬压力作用，流道中也无水重。4厂房基础设有排水孔时，特殊组合中还要考虑排水失效的情况。二、 计算方法和要求厂房整体稳定和地基应力计算应以中间机组段、边机组段和安装间段作为一个独立的整体，按荷载组合分别进行。边机组
14、段和安装间段，除上下游水压力作用外，还可能受侧向水压力的作用，所以必须核算双向水压力作用下的整体稳定性和地基应力。图12-4 为河床式厂房稳定分析时的受力图。图12-4 河床厂房稳定分析受力图 (一) 抗滑稳定计算厂房抗滑稳定性可按抗剪断强度公式或抗剪强度公式计算1抗剪断强度计算公式 (12-1)式中K按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f，C滑动面的抗剪断摩擦系数及抗剪断粘结力，kPa；A基础面受压部分的计算面积，m2；W 全部荷载对滑动面的法向分力（含扬压力），kN;P 全部荷载对滑动面的切向分力（含扬压力），kN。2抗剪强度计算公式 (12-2)式中K按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f
15、 滑动面的抗剪摩擦系数。岩基厂房整体抗滑稳定的安全系数不分等级按表12-2选用。表12-2抗滑稳定的安全系数抗滑稳定安全系数荷载组合基本组合特殊组合无地震有地震K1.101.051.00K3.002.502.30(二) 抗浮稳定性计算厂房抗浮稳定性可按下式计算 (12-3)式中Kf抗浮稳定安全系数；W 机组段的全部重量，kN；U 作用于机组段的扬压力总和，kN。根据水电站厂房设计规范，抗浮稳定安全系数Kf在任何计算情况下不得小于1.1。(三) 地基应力计算1计算方法厂房地基面上的法向应力，可按下式计算 (12-4)式中厂基面垂直正应力，kPa；W作用于机组段上全部荷载在厂基面上的法向分力总和，
16、kN；Mx，My作用于机组段上全部荷载对计算截面形心轴x、y的力矩总和，kN.m； x、y 计算截面上任意点至形心轴的距离，m； Jx， Jy计算截面对形心轴x、y轴的惯性矩，m4；A厂基面计算截面积，m2。式(12-4)假定厂房基础为刚体，厂基面地基应力为线性分布。2计算要求岩基上厂房地基面上的垂直正应力用材料力学计算时应符合下列要求：(1) 厂房地基面上承受的最大垂直正应力，不论是何种型式的厂房，在任何情况下均不应超过地基允许承载力，在地震情况下地基允许承载力可适当提高。(2) 厂房地基面上承受的最小垂直正应力(计入扬压力)应满足下列条件：对于河床式厂房，除地震情况外都应大于零，在地震情况
17、允许出现不大于0.1MPa的拉应力。对于坝后式和引水式厂房，正常运行情况下，一般应大于零；机组检修、机组未安装及非常运行情况下，允许出现不大于0.10.2MPa的局部拉应力。地震情况下，如出现大于0.2MPa的拉应力，应进行专门论证。厂房整体稳定和地基应力计算不满足要求时，应在厂房地基中采取防渗和排水措施。第三节 吊车梁及排架柱结构计算厂房上部结构的屋盖、发电机楼板、围护砖墙结构设计与一般工业厂房相同，这里不再赘述。吊车梁与构架则有其不同于一般工业厂房的使用特点，现将结构设计原理作简要介绍。一、吊车梁吊车梁是直接承受吊车荷载的承重结构，是厂房上部的重要结构之一。水电站厂房内大多采用电动桥式吊车
18、，其特点是起吊容量大、工作间歇性大、操作速度缓慢、使用率低(只在机组进行安装和检修时才用)。水电站吊车性质属于轻级工作制，吊车梁可不验算重复荷载作用下的疲劳强度。现在我国大中型水电站已大多采用预应力钢筋混凝土吊车梁，也有采用钢结构的。钢筋混凝土吊车梁在施工上可分为现浇、预制和叠合梁等形式。现浇吊车梁可分为单跨简支和多跨连续结构(在厂房伸缩缝处必须分开)。预制梁大多为单跨预应力混凝土结构。吊车梁截面截面形式有矩形、T形和I字形。(一) 吊车梁荷载1固定荷载：包括自重(按吊车梁实际尺寸计算)，钢轨及附件重根据厂家资料取，初估时可取1.52.0kN/m。2移动荷载：(1) 竖向最大轮压Pmax(如图
19、12-5)图12-5 竖向最大轮压计算简图一台吊车工作时： (12-5)两台吊车工作时： (12-6)式中 m一台吊车作用在一侧吊车梁上的轮子数；G吊车总重，kN；G1小车和吊具重，kN；G2最大起吊物重，kN；G3平衡梁重，kN；Lk吊车跨度，m；L1起吊最重件时，主钩至吊车轨道的最小距离，m；在计算吊车梁时，竖向最大轮压Pmax应乘以动力系数，轻级工作制软吊钩吊车动力系数为1.1。(2) 横向水平刹车制动力T1当小车沿厂房横向行驶突然刹车时，产生横向水平制动力(图12-6)，由大车一侧各轮平均传至轨顶，方向与轨道垂直，并考虑正反两个方向。各方向均考虑一侧吊车承受，不再乘动力系数。当一台吊车
20、工作时： 对硬钩吊车：(12-7) 对软钩吊车：(12-8)当两台吊车工作时： 对硬钩吊车： (12-9)对软钩吊车： (12-10)式中符号意义同前。图12-6 吊车梁承受的横向制动力和扭矩(3) 纵向水平刹车力T2纵向水平刹车力T2由大车一侧制动轮传至轨顶，方向与轨道一致，其值为：T2=0.1Pmax(12-11)式中Pmax一侧轨道上各制动轮最大轮压之和，kN。此外，对预制吊车梁的运输和吊装过程，自重应乘以动力系数1.5。(二) 吊车梁内力计算吊车梁的内力计算和截面设计包括以下内容：(1) 承受移动竖向轮压作用的内力计算。(2) 承受移动横向水平制动力作用的内力计算。(3) 正、斜截面的
21、强度计算。(4) 扭矩计算。吊车梁受到的扭矩是由梁顶钢轨安装偏差e1(一般为2cm)和由横向水平制动力T1对截面弯曲中心的距离e2(等于h0+y0)两项组成，其中h0为轨顶到吊车梁顶的垂距，一般取20cm；y0为截面弯曲中心到截面顶面的垂距，如图12-6 所示。(5) 挠度计算。电动桥式吊车最大允许挠度：钢筋混凝土吊车梁为L0/600；钢结构为L0/750。(L0为吊车梁计算跨度)(6) 裂缝宽度验算和局部拉应力计算。对预制吊车梁须进行施工期的吊装验算。对预应力混凝土吊车梁还需进行局部应力验算。吊车梁是直接承受吊车荷载的承重结构，除吊车梁自重、轨道及附件等均布恒载外，主要承受移动的竖向集中荷载
22、和横向水平制动力，因此需用影响线求出各计算截面的最大(或最小)内力，画出内力包络图，并据此进行截面强度设计及抗裂或限裂、变形等验算。二、排架柱排架柱是厂房上部的主要承重结构，它承受屋面、吊车梁、楼板、风雪等荷载。在高尾水位的水电站还承受下游水压力。厂房排架柱一般采用钢筋混凝土结构，以牛腿面为界分上柱和下柱。与一般工业厂房相比，水电站排架所具有的特点：(1) 承受的荷载大且种类繁多。大、中型水电站吊车容量常达数百吨，有的达数千吨。安装间荷载常为0.05 0.2 MPa，发电机层楼板荷载一般为0.020.07 MPa。(2) 排架柱高度较高，通常为2030m。主厂房一般为单层排架，安装间单层、多层
23、均有。排架柱跨度一般在1025m范围内，且大多是单跨排架。(3)排架柱的构成多采用实复柱与屋面大梁现场浇筑的整接型式。有的水电站因特殊需要，屋面采用整片厚板，围护结构采用钢筋混凝土墙，由厚板、墙、柱整体浇筑构成排架。(4) 由于水电站厂房水下结构开有各种类型的孔洞及其它布置上的原因，排架柱往往形成上、下游柱脚不同高程的不等高结构。(5) 在施工过程中，机组的安装使排架柱处于独立承载的不利受力状态。另外，由于水电站厂房布置各不相同，排架柱的型式、尺寸、受荷情况也不相同，设计较难标准化、定型化。(一) 排架柱设计荷载作用在排架柱上的荷载分恒载和活荷载两类(图12-7)。1恒载恒载一般包括：屋面自重
24、g1(包括防水层重、天棚重)；小柱自重G1；大柱自重G2；吊车梁自重G3(包括轨道和附件重)；楼板荷载；如地面高程高出柱底高程时，在上游侧尚有填土压力或山岩压力等。2活荷载一般包括屋面活荷载(人群荷载或雪荷载)p1，吊车竖向荷载Dmax、Dmin、横向水平制动力Tmax，风荷载p2、p3等，温度应力和干缩应力。如果下游水位高出柱底高程时，还有尾水压力。如厂房建在地震区还有地震荷载。图12-7 排架荷载图作用在排架柱上的最大竖向荷载Dmax为吊车梁作用最大轮压Pmax时的支座反力，Dmin为另一侧相应的反力，Dmax与Dmin同时产生，计算时不考虑动力系数。如吊车梁为连续结构时，可视为简支梁来计
25、算Dmax、Dmin。横向水平制动力Tmax的计算，按下式进行： (12-12)荷载组合要选择可能发生的最不利情况进行组合。(二) 排架计算简图厂房排架结构为一空间构架，但一般均简化成按纵、横两方向的平面结构分别进行计算。由于纵向平面排架柱较多，刚度较大，荷载较小，往往可不必计算。但当厂房围护结构为砖墙，开窗面积较大，且吊车梁又是简支的情况下，应进行纵向平面排架柱的计算。横向平面排架柱由于荷载大，刚度相对较小，为排架计算的主要内容。1计算单元横向平面排架是由相邻柱距的中线划出一个典型区段作为一个计算单元，如图12-8所示。除吊车等移动荷载外，图中阴影线部分就是一个排架柱的受荷范围。12-8排架
26、计算单元2计算简图排架由于上、下柱截面不等，为一变截面排架，其计算简图根据柱与屋面大梁、楼板和基础连接的实际情况选取，如图12-9 所示。(1) 当排架柱与屋面大梁整体浇筑时，柱与梁视为刚接；屋盖采用厚板结构时，也为刚接；当屋盖采用屋架结构时，柱与屋架视为铰接。(2) 排架柱与基础连接。排架上游柱脚一般假设固定在水轮机层块体混凝土顶部，并避开进厂钢管或蝴蝶阀坑等大孔洞。如上游墙较厚，墙柱的刚度比在1215之间时，则上游柱可假设固定在底墙顶部。当厂房下游墙为与尾水闸墩整体浇筑的厚墙时，排架下游柱脚可假设固定在尾水闸墩顶部，否则按固定在水轮机层考虑。(3) 排架柱与楼板连接。主机间发电机层楼板一般
27、为后浇的二期混凝土，且刚度较小，楼板可视为柱的铰支承。安装间楼板刚度较大，且大梁与柱均为一期混凝土整体浇筑，柱与梁可视为刚接。(4) 计算简图中，横梁的计算工作线取截面形心线(屋架则取其下弦线)。柱取上部小柱的形心线，整个柱为一阶形变截面构件。3计算宽度计算排架各杆的刚度时，柱截面计算宽度的取法为：当围护结构为砖墙时，取柱宽；当围护结构为与柱整浇的混凝土墙时，取窗间净距。横杆计算宽度的取法是：当横杆为独立梁(即采用预制屋面板)时，取梁宽；当横杆为整浇肋形结构时，按T形截面梁计算刚度。图12-9 主机间和安装间典型排架计算简图 (三) 内力计算排架计算中，忽略杆件自身轴向变形的影响，各杆均视为刚
28、杆计算。排架的内力计算按结构力学的一般方法进行。如果排架为对称的二阶形柱形时，可利用现成的图表计算内力；如果排架柱为不对称或杆件为变截面时，可利用专门图表查出各杆件的形常数和载常数，然后用迭代法或力法计算内力。水电站厂房排架大部分或全部为水上结构，一般可按钢筋混凝土设计规范进行设计。当排架的施工条件难以符合上述规范时，则按水工钢筋混凝土设计规范设计。第四节机墩与风罩机墩是立式水轮发电机的支承结构，其底部与蜗壳顶板联成一体，承受着巨大的静、动荷载，必须具有足够的刚度、强度、稳定性和耐久性。本节主要介绍适用于大中型水电站厂房的圆筒式机墩的结构计算原理与方法。一、机墩或风罩与发电机层楼板的连接型式对
29、于圆筒式发电机层楼板与机墩或风罩的连接方式一般有一以下几种：1整体式。这种连接方式可增强机墩结构的抗扭、抗水平推力的刚度，改善了机墩的受力情况，是应用最多的一种型式，但这种型式会因混凝土的收缩及机墩的振动而使楼板发生裂缝。2简支式。有利于采用预制构件，并在机墩处设置弹性防振垫层，以减轻楼板受机墩振动的影响，简支式的连接构造复杂些，又不能加强机墩的刚度，因此应用不广。(a) 机墩与楼板整体式连接(b) 机墩与楼板简支式连接 (c) 机墩与楼板分离式连接1. 楼板2. 机墩或风罩 3. 弹性垫层4. 次梁图12-10机墩与楼板的连接方式3分离式。楼板与机墩自成独立的受力系统，互不影响，楼板上的荷载通过梁柱系统直接传给基础，楼板不受机墩振动的影响。对小型水电站没有单独的副厂房时，可将部分辅助设备布置在发电机层楼板上，由于楼板不支承在机墩上，楼板的浇筑及楼板上的设备的安装均可在机墩施工前进行，可加快电站的施工进度。二、作用在机墩上的荷载及荷载组合(一) 荷载1.垂直静荷载A1。包括：机墩自重，发
