某水电站主厂房钢管混凝土组合结构设计
2016-05-25张承业
张承业
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)
某水电站主厂房钢管混凝土组合结构设计
张承业
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)
摘要：为复核某水电站主厂房新型钢-混凝土组合结构设计的合理性，通过SAP2000结构软件计算对该结构进行了分析研究，结果表明该结构设计满足规程规范要求，为设计提供了依据。
关键词：SAP2000；钢-混凝土；组合结构
钢管混凝土组合柱具有承载力能力高、抗震性能好、快速施工、一次成型的优点，缺点是造价较为高昂。洪家渡水电站(2004年建成)厂房上部结构首次采用钢管混凝土排架结构以来开始受到水电站厂房建设的重视，但可供借鉴的设计经验不多。由于本案例水电站场地地震烈度高，设防烈度为8度，地面厂房主厂房跨度大，钢管排架柱间距大，荷载情况较为复杂，排架柱的强度、刚度和稳定性对整个厂房的安全具有重要的影响。为了保证该水电站主厂房新型钢管混凝土组合结构的安全性、可靠性、合理性及功能性，本研究利用SAP2000结构软件对组合结构进行了研究分析。
1计算案例简介
本水电站厂房主要由安装间、1号主机间、2号主机间组成，长度分别为32.7 、19.4和19.4 m，跨度相同均为24.1 m。
水电站因急于投产发电，主厂房上部架构采用钢管混凝土柱组合结构。初拟钢管混凝土柱等间距布置，8根吊车梁简支于柱上，柱体外侧由钢板焊接而成，内填C40F200W4(一级配)混凝土。横剖面、平面布置见图1，排架柱上、下柱体截面尺寸分别为1.1 m×1.1 m、1.8 m×1.4 m，长边、短边钢板厚度分别为16 mm和22 mm。
图1 主厂房横剖面图 单位：mm
2荷载及工况组合
2.1计算荷载
(1) 恒载
包括屋面均布恒载，网架自重0.5 kN/m2，以及钢管混凝土组合柱自重。
(2) 活载屋面雪载
均布活载为0.50 kN/m2。
(3) 风载
基本风压0.4 kN/m2，按最不利方向施加4 kN/m。
(4) 吊车荷载
主厂房吊车起重机参数250 t/63 t/2×10 t单小车桥式起重机，轮距如图2。
图2 吊车轮距示意图 单位：mm
1) 根据要求，钢管混凝土排架柱在施工阶段起吊重量按30 t计算，吊车最大轮压、最小轮压为：
上游侧最大轮压P上max=16.9 t,上游侧最小轮压P上min=8.5 t；
下游侧最大轮压P下max=17.55 t，下游侧最小轮压P下min=9 t。
2) 正常运行时吊车最大轮压、最小轮压为：
上游侧最大轮压P上max=45 t,上游侧最小轮压P上min=8.5 t；
下游侧最大轮压P下max=43.2 t，下游侧最小轮压P下min=8 t。
3) 据此吊车对排架柱作用力(考虑竖向荷载增大系数1.05、动力荷载系数1.04)
吊车对下柱的最大竖向作用力为2 622.7 kN；
吊车对下柱的最大水平横向刹车力为145 kN；
吊车对下柱的最大水平纵向刹车力为50.4 kN；
吊车空载下对柱的最大竖向作用力为900 kN；
施工期吊车梁的最大竖向作用力为943.4 kN；
施工期吊车对柱的最大水平横向刹车力为60 kN；
施工期吊车梁的最大水平纵向刹车力为21 kN；
吊车梁工作制为轻级。
(5) 地震作用(SE)
反应谱采用GB50011-2010规范谱, 采用底部剪力分配法计算，地震信息：设防地震分组为第2组，8度设防烈度(加速度0.2g), Ⅰ0类场地类别,二级抗震等级。
2.2荷载作用分项系数
(1) 结构重要性系数0.9。
(2) 荷载分项系数：横载当对结构有利时取1.0，不利时取1.2～1.35，活载和水平地震分别取1.3、1.0。
2.3工况组合
2.3.1承载能力极限状态验算荷载组合
(1) 1.2恒载+1.3活载+1.2(30 t)吊车竖向荷载+1.2水平横向荷载+1.3风载 (施工前期，C1);
(2) 1.2恒载+1.3活载+1.2(30 t)吊车竖向荷载+1.2水平纵向荷载+1.3风载 (施工前期，C2);
(3) 1.2恒载+1.3活载+1.2吊车竖向荷载+1.2水平横向荷载+1.3风载(C3);
(4) 1.2恒载+1.3活载+1.2吊车竖向荷载+1.2水平纵向荷载+1.3风载(C4);
(5) 1.2恒载+1.3活载+1.2吊车竖向荷载+1.3风载 +1.0地震荷载(y)(C5);
(6) 1.2恒载+1.3活载+1.2吊车竖向荷载+1.3风载 +1.0地震荷载(x)(C6)。
2.3.2正常使用极限状态验算荷载组合
(1) 1.0恒载+1.0活载+1.0施工期吊车竖向荷载+1.0施工期横向水平荷载+1.0风载(施工，C7)；
(2) 1.0恒载+1.0活载+1.0运行期吊车竖向荷载+1.0横向水平荷载+1.0风载(C8)；
(3) 1.0恒载+1.0活载+1.0施工期吊车竖向荷载+1.0施工期纵向水平荷载+1.0风载(施工，C9)；
(4) 1.0恒载+1.0活载+1.0运行期吊车竖向荷载+1.0纵向水平荷载+1.0风载(C10)。
3结构分析
本计算采用SAP2000结构软件对上述结构进行分析，计算中外力有屋面网架横载、屋面雪荷载、风荷载、吊车荷载以及地震作用，模拟了6组工况组合进行承载能力极限状态验算，4组工况组合进行正常使用极限状态验算，依照规范对结构强度、稳定性及变形进行了复核。
3.1内力复核
本计算采用6组工况组合进行了内力复核，结果见表1。
表1 承载能力极限状态下各柱内力表
3.2施工期纯钢结构局部稳定性复核
3.3运行期钢管混凝土组合结构强度及稳定性复核
运行期钢管混凝土柱需满足承载力及稳定性要求，依据CECS159:2004《矩形钢管混凝土结构技术规程》[2]计算公式，计算结果均小于允许值1.0，满足要求。
3.4正常使用极限状态下验算
本计算采用4组工况组合进行了正常使用极限状态验算，结果见表2。
4细部设计
(1) 基础设计
为增强基础刚度，在钢管混凝土柱与基础之间增设45根插筋，预先浇筑于基础里面，待钢管混凝土柱吊装到位后灌注混凝土固定[3-4]。
表2 正常使用极限状态下关键部位位移值表
(2) 永久缝设计
安装间、1号主机间、2号主机之间存在混凝土永久缝面，但上部为整体钢结构，为了限制缝面错动位移对上部结构的破坏，在缝面处设置了穿插缝面插筋。同时为适应缝面冷缩，对插筋进行沥青涂抹并裹塑料布保护[5-6]。
(3) 联系钢梁设计
因构造要求钢管混凝土柱体间设置3层H形联系钢梁，并在上下柱间设置斜支撑，由交叉工形钢梁组成[7-8]。
5结语
本研究通过SAP2000结构设计软件对厂房钢管混凝土排架柱进行结构分析，分析得到了结构内力、变形。依照规程规范对结构强度、稳定性及变形进行了复核，计算结果表明厂房钢管混凝土排架柱结构合理，为设计提供了依据。目前该项目已建成发电，主厂房钢管混凝土组合柱结构运行良好。
参考文献:
[1]GB50017—2003,钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.
[2]CECS159:2004,矩形钢管混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，2003.
[3]覃丽钠，李明卫.矩形钢管混凝土柱在水电站厂房中的应用[J].贵州水力发电，2011,25(6):12-16.
[4]孙粤琳,张燎军,冉懋鸽.洪家渡水电站厂房矩形钢混柱接触分析研究[J].三峡大学学报(自然科学版)，2004(6):497-500.
[5]孙粤琳,张燎军,冉懋鸽.矩形钢管混凝土柱温度场及温度应力的有限元分析[J].水利水电科技进展，2005(5):33-36.
[6]卢羽平,张燎军,冉懋鸽.洪家渡水电站厂房矩形钢管混凝土叠合柱抗震分析[J].华北水利水电学院学报，2005(1):35-38.
[7]徐政.洪家渡水电站厂房矩形薄壁钢管混凝土组合柱试验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.
[8]周烨.钢管混凝土柱在水电站厂房结构中的应用[D].长沙：长沙理工大学，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
中图分类号：TU398.9
文献标识码：A
DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.009
作者简介：张承业(1982- )，男，安徽省安庆市人，工程师，主要从事水电站水工设计工作.
收稿日期：2016-01-20
文章编号：1006—2610(2016)02—0030—03
