水电站工程主厂房排架结构设计

2022-09-12

1 工程概况

该电站以发电为主, 兼有灌溉和防洪效益。枢纽分别由拦河坝、泄洪隧洞 (由导流洞改建而成) 、泄洪深孔 (兼冲沙、确保发电洞进口门前清) 、二条发电引水隧洞、压力管道、地面式厂房及GIS开关室等建筑物构成。电站总装机容量460MW, 保证出力91.6MW, 多年平均发电量9.38亿kW·h。电站主要担任北疆电网系统调峰、调频和部分事故备用, 改善北疆电网的运行条件。

电站厂房为地面式厂房, 单机容量115000kW, 主厂房 (包括安装问) 总长112.8m, 其中安装问长32.1m, 宽24m, 主厂房内设4台水轮发电机组, 机组间距为19.05m, 主厂房最大高度 (主机间) 46.43m。发电机层高程为1289.02m, 水轮机层高程为1280.60m, 厂房底板高程1262.91m。

本工程属大 (I) 型一等工程, 厂房及引水建筑的级别为II级, 建筑物设防烈度8°, 多年平均气温5.7℃, 历年各月最大积雪深度580mm, 多年平均风速2.5m/s。

2 主厂房结构设计

2.1 设计原则

发电厂房为排架结构, 排架应具有必要的抗震承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能, 主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度, 承受竖向荷载的主要构件不宜作为主要耗能构件。

2.1.1 排架布置根据机组尺寸确定

主机间机组间距19.05m, 除1机组段长23.5m外, 其余机组段均为19m。根据设备布置要求, 确定厂房上游侧宽1 5 m, 下游侧10.5 m, 共4台机, 2, 3, 4号机机组间距相同, 1号机不一样;每台机组段设置1条伸缩缝, 每个机组段布置3榀排架, 因此在伸缩缝间左、右两边各设置1榀排架柱, 形成双柱形式, 主机间排架柱间距为8.95m与4.5m两种;柱断面下柱为1.1m×2.2m, 上柱为1.1m×1.4m, 抗风柱断面0.5m×0.7m, B轴砌体填充墙内设构造柱, 断面0.3m×0.3 m, 连系梁尺寸为b×h=0.7m×1.1m, 扁梁尺寸为b×h=0.8m×0.3m。安装间排架柱间距为7.75m;柱断面下柱为1.1m×2.2m, 上柱为1.1m×1.4m, 抗风柱断面为0.5m×0.7m, B轴砌体填充墙内设构造柱, 断面0.3m×0.3m, 连系梁尺寸为b×h=0.7m×1.1m, 扁梁尺寸为b×h=0.8m×0.3m, 排架顶部横杆系钢屋架下弦杆。

2.1.2 排架简化计算

(1) 横向平面排架:计算中、边排架, 钢网架视为两端铰接杆件, 只传递轴力。排架柱底部, 主机间固定在高程1272.20 m和1280.60m大体积混疑土上, 安装问固定在高程1289.02m上, 造独立基础。排架上、下柱为变截面, 内力计算时考虑上柱对下柱的偏心影响。

(2) 纵向平面排架:主机间取1个机组段, 安装间取整个为计算单元, 主要计算纵向连系梁。

2.1.3 参数设置

地震设计烈度8°, 且只考虑水平地震荷载;排架结构按2级建筑物设计;排架结构首先进行刚度验算, 然后进行构件强度计算;温度荷载:不考虑内外温差的影响。

2.2 排架结构设计

2.2.1 荷载及组合

主厂房排架主要承受屋盖系统的重量和吊车荷载, 还有发电机层, 水轮机层楼板及纵向连系梁 (承重墙梁) 的重量。

(1) 恒荷载

(1) 自重A1:包括 (防水层+找平层+保温层+找坡层+屋面板+屋架) ;

(2) 砖墙重A2:主厂房纵向连系梁梁底无填充墙砌筑;

(3) 发电机层和水轮机层板梁自重传来的荷载A3 (安装问只有发电机层板梁自重传来的荷载A3) ;

(4) 吊车梁自重A4;

(2) 活荷载

(1) 屋面均布活荷载包括上人荷载B1;

(2) 屋面雪荷载B2;

雪荷载:

式中S为雪荷载标准值, kN/m2;

μr为屋面积雪分布系数;

S。为基本雪压, kN/m2。

(3) 发电机层和水轮机国层板梁传来的活荷载B3 (安装问只有发电机层板梁传来的荷载B3) ;

(4) 吊车满载时的轮压B4;

(5) 吊车横向水平荷载B5;

(6) 吊车竖向荷载B6;

(7) 风荷载B7;

(8) 地震荷载C;

设计烈度8°, 场地类型I类, 效应调整系数1.35, 剪力和弯矩增大系数2.5。

基本组合

特殊组合

2.2.2 内力计算及配筋

(1) 排架的内力和配筋计算主要采用PK程序建模, 进行演算, 最终确定排架柱、连系梁及扁梁的配筋。

(2) 计算时考虑上、下柱偏心的影响及内力组合时各种荷载产生的内力均最不利情况组合, 各截面均考虑以下控制内力的组合值:

最大弯矩Mmax轴力N, 相应轴力N, 剪力Q

最小弯矩Mmin, 相应轴力N, 剪力Q

最大轴力Nmax, 相应弯矩M, 剪力Q

最小轴力Nmin, 相应弯矩M, 剪力Q

(3) 主机问及安装间柱计算配筋率均小于最小配筋率μmin=0.7, 因次均按最小配筋率配置对称钢筋, 其它钢筋均按计算配筋。

3 结语

计算中荷载及荷载组合按照规范考虑, 计算参数均按照规范规定取值, 同时在计算过程中对梁、柱的尺寸及结构要同时满足抗裂, 抗震, 抗变形要求。立柱、构件间连接处和变断面处是设计的重点, 应予特殊处理, 局部加强配筋、局部结构加强等, 保证在一定程度集中应力作用下构件满足《水电站厂房设计规范》的安全要求。

(1) 排架柱的配筋满足了以下几点。

(1) 纵向钢筋宜对称配置。

(2) 截面尺寸大于400mm的柱, 纵向钢筋间距不宜大于200mm。

(3) 柱总配筋率不应大于5%。

(2) 连系梁的配筋满足了以下几点:

(1) 梁的纵向受力钢筋最大直径一般不宜大于28mm, 梁高≥500mm时, 梁的纵向受力钢筋的最小直径不宜小于12mm。

(2) 梁支座截面负弯矩纵向受拉钢筋不宜在受拉区截断。

(3) 梁的下部纵向钢筋的净距不应小于钢筋直径, 上部纵向钢筋的净距不应小于1.5倍钢筋直径, 同时均不应小于30mm。梁的下部纵向受力钢筋不宜多于两层。

通过PKPM系列软件 (单机版) 的应用排架结构设计及连系梁的设计, 满足了主厂房排架的承载力和变形能力的设计要求, 易于施工, 运行管理方便, 投资较省。因排架是厂房的基本承重结构, 所以计算工作量很大, 钢筋图也非常细致。利用PKPM软件计算排架结构设计的发电厂房运行一年来, 表明电站厂区和厂房内部布置是合理的, 结构设计是可靠的。

摘要：发电厂房为排架结构, 排架应具有必要的抗震承载力、刚度、稳定性、延性及耗能等方面的性能, 文章结合实际工程, 介绍了水电站工程主厂房排架结构的设计过程, 仅供相关人士参考。

关键词：水电站,厂房排架,恒荷载,活荷载