紫荆关水电站厂房排架柱的结构设计

杜秀萍，骆红伟

（保定市水利水电勘测设计院，河北 保定 071000）

1 工程结构设计

1.1 工程概况

紫荆关水电站位于保定市易县境内，为引水式电站，厂房为地面式厂房，厂房及引水建筑物的级别为IV级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值0.10g。厂房分为主厂房和毗邻的副厂房，主厂房内布置3台机组，总装机容量3750kW。为了安装和维修方便，在主厂房内安装电动单梁式起重机1台，最大起吊重量10t，主厂房长度42.0m，宽度9.0m，排架柱轴距6.0m。副厂房包括工具室、主控室和高、低压配电室等，长度42m，宽度6.9m。厂房排架柱为预制混凝土矩形柱，主厂房屋盖采用9.0m预应力双坡屋面梁，副厂房采用预制钢筋混凝土梁，屋面板均采用预应力大型屋面板。

1.2 荷载计算范围和设计原则

1.2.1 排架承受荷载

排架承受荷载包括屋盖荷载（屋盖自重、屋面活荷载及雪荷载等）、吊车荷载（竖向荷载及横向水平荷载）、横向风荷载等。另外，各种荷载计算时均应采用其标准值，以便下一步的内力组合。

1.2.2 排架柱承受荷载

取柱中心两边相邻排架轴距的一半（即3.0m）与外墙围成的区域为计算单元，作用在这一单元内的荷载，完全由该平面排架承担。另外，由于吊车荷载是移动的集中活荷载，经吊车梁传给排架柱，不能按单元内的范围传力计算，应按支座反力直接作用在排架柱的牛腿上。

1.2.3 计算简图

由于柱下端插入杯口基础内，且经两次高强灌筑与基础结成整体，因此在对横向排架的结构计算时下部视为固定端。由于屋架与柱端是通过柱顶预埋件焊接的，屋架仅起传递轴力的作用，其轴力值一般不大，因此在设计时忽略其轴向变形而视屋架为刚性连杆，屋架两端与排架柱上柱的连接为铰接。

鉴于此水电站厂房屋顶为装配式无檩体系，屋盖的刚度比较大，且在厂房的两端均设有山墙，空间作用非常小，因此在排架柱设计时，不考虑厂房的空间作用。

1.3 荷载统计

1.3.1 排架柱自重

根据排架柱的高度、吊车梁的布置和轨道安装要求，初定排架柱为预制钢筋混凝土矩形柱，排架柱混凝土标号C20。按实际截面尺寸可计算上柱和下柱的自重，其数值见图1。

1.3.2 屋顶恒荷载P1、 活荷载

P7和副厂房传给排架柱的荷载P6、P8

根据屋架的自重（28.18kN）和屋面的工程作法，计算出屋面的恒荷载和活荷载的标准值分别为2.18kN/m2和0.7kN/m2（因雪荷载小于施工活荷载，在此取施工活荷载），则可以计算出单元范围内传给排架柱上柱的集中荷载P1＝72.95kN，P7＝18.9kN，P6＝61.95kN，P8＝14.49kN。

1.3.3 吊车竖向荷载Dmax和Dmin

根据起重机资料，查得10t吊车的最大轮压和最小轮压Pmax、Pmin分别为64kN和 21.1kN，轮距2.0m，吊车宽度2.5m，起重机自重48.94kN（包括电动葫芦）。另外根据吊车梁支座反力的影响线及吊车轮子的最不利位置（如图1示），由公式Dmax＝Pmax×Σy，Dmin＝Pmin×Σy，可计算出由吊车梁传给柱子的最大竖向吊车荷载Dmax与最小竖向吊车荷载Dmin分别为106.88kN和 35.24kN。

1.3.4 横向水平力T

根据计算公式：T＝α（Q＋g）/n Tmax＝T×Σy

式中 α为系数，取0.12；n为吊车两端的总轮数；Q为吊车的起重量；g为小车重量。

计算出每个轮子的横向水平力：T＝3.41kN，最大的吊车横向水平荷载Tmax＝5.70kN。

1.3.5 吊车梁及轨道的连接重P4

吊车梁自重28.2kN，轨道及连接件重量6.0kN，合计P4为34.2kN。

1.3.6 牛腿顶部的竖向力和水平力

1.3.7 风荷载q1、q2、q3和P9

作用在排架柱上的风荷载包括由墙面传来的均布风荷载q和屋面传来的集中风荷载P9，垂直建筑物的风荷载可按下式计算：

式中 W0为基本风压，根据《规范》［5］查得基本风压值为0.4kN/m2；μS为风载体型系数；根据《荷载规范》［5］对于高低跨厂房：迎风面＋0.8，背风面－0.4，高低跨排架柱的上部－0.6； μZ风压高度变化系数，由于此厂房的高度小于10m，取1.0。

由 此 可 计 算 出 此 柱 的 均 布 风 荷 载 q1＝1.92kN/m，q2＝0.96kN/m，q3＝1.44kN/m，集中荷载为P9＝2.02kN。

1.4 控制截面的确定和荷载作用下的内力组合原则

（1）根据排架柱的受力特点分别取上柱柱底；牛腿处截面和下柱柱底（室内厂房地面下0.5m处）为排架柱配筋计算的控制截面。对于小型厂房，当吊车荷载不大时，往往是柱底截面控制下柱的配筋，同时下柱柱底截面的内力值也是设计柱基的依据。在本工程设计计算时，分别取以上3个截面为排架柱的控制截面，并计算出在各种荷载作用下截面的内力分别进行组合，求出其组合内力作为柱配筋的依据。另外由于本工程位于地震区，因此在内力计算和组合中，应包括在地震作用下控制截面的内力。

（2）对于矩形排架柱的内力组合，当采用笔算时可主要进行下列4种内力组合：①＋Mmax与相应的N；②－Mmax与相应的N；③Nmax与相应的±M（取绝对值较大者）；④Nmin与相应的±M（取绝对值较大者）。

1.5 内力计算

由于排架的内力计算和内力组合用手算比较复杂，因此在本工程设计中，采用电算方法，软件采用中国建筑科学研究院的平面杆系结构CAD系统PMCBC，并且根据本工程的实际情况，编制计算程序（包括在地震作用下的内力计算和组合）。根据各截面的内力，经计算确定柱的配筋，考虑到其他不确定因素，在设计时采用对称配筋，下柱两侧各布置为4准20纵筋，上柱4准16纵筋为箍筋加密区（上柱高度范围内，牛腿处和下柱柱脚2.3m内）准8＠100，其他位置准8＠200，厂房端柱除外。

1.6 牛腿强度和柱吊装验算

（1）根据作用在牛腿上FVK、FHK进行截面的强度验算和配筋计算，确定牛腿处配筋为4准16。

（2）排架柱在运输、吊装时的受力状态与其在使用阶段不同，在吊装时采用翻身、绑扎单点起吊的方法，吊点设在变阶处，因此必须对排架柱在柱自重作用下的弯矩最大位置处、牛腿的下部和上柱根部进行强度和裂缝宽度的校核验算。验算时，柱的自重采用荷载的标准值，并乘以动力系数1.5。

对于裂缝宽度（Wmax≤0.2mm）的验算，用受拉钢筋应力的验算来代替。计算公式为：

式中 γ为建筑物的安全等级，由于在吊装时柱的受力状态系临时性质，因此可降低一级使用，取γ＝0.9；M为吊装验算截面处弯矩；h0为平行于弯矩作用平面柱截面有效高度；As为吊装时弯曲受拉钢筋截面面积。

经计算，截面的承载力Mu＝Asfy（h0－αs）大于3个截面处的内力，在柱所配钢筋下均能满足受拉钢筋应力均小于220N/mm2，因此满足吊装要求。

2 其他注意问题

（1）在钢筋混凝土排架单层厂房中，不宜采用砖山墙承重，应在厂房两端设置端排架。而且在山墙顶部与屋架相对应的高度应设置钢筋混凝土卧梁，并与屋架端头上部高度处的圈梁连续封闭。

（2）对于有吊车的厂房，排架柱的预埋件比较多，在设计时应仔细校对其位置和数目，避免遗漏或由于位置和尺寸的错误，造成吊车梁和屋面梁等构件无法安装。

（3）为了加强结构的整体性，增强其抗震能力，在柱外侧沿竖向每隔500mm留2准6钢筋与外墙体的拉结；另外在外墙圈梁对应位置设置不小于2准12拉结筋。在电气设计中，为了照明的需要，在柱的一定高度上要设置灯具，因此柱在预制时，要预埋电线管以便穿线，其位置和高度要与电气设计人员相配合。

（4）在地震作用下，由于厂房角柱的柱头处于双向地震作用，侧向变形受约束和压弯的复杂受力状态，其抗震强度和延性较中间排架柱头弱，为了避免在地震中角柱顶开裂，造成柱头折断和端屋架塌落，因此在设计中厂房角柱的柱头加密箍筋直径按提高1度（即8度）配置，箍筋直径应大于准10＠250。

（5）单层厂房的抗震验算主要包括纵向和横向两个方面，如果结构在满足规范要求的前提下，7度时的Ⅰ、Ⅱ类场地，当柱的高度不超过10m且单元的两端均有墙的单跨厂房，可以不进行纵向和横向的截面抗震验算（在本工程设计中，考虑了抗震作用）。

3 结语

（1）该工程已于2003年11月底建成并投入使用，一年多时间，排架柱未见异常。

（2）排架柱配筋计算只是设计的一个方面，在构造方面亦应采取一些有效的措施，比如柱头、上柱、牛腿及柱根等部位箍筋加密区的范围和预埋件锚筋、埋件的焊缝和焊脚尺寸等均应满足规范要求。

［1］SL266—2001，水电站厂房设计规范［S］.

［2］周氐.水工混凝土结构设计手册［K］.北京：中国水利水电出版社，1999.

［2］GB50010—2002，混凝土结构设计规范［S］.

［3］GB50011—2001，建筑抗震设计规范［S］.

［4］GB50009—2001，建筑结构荷载规范［S］.