三溪口水電站廠房排架結(jié)構(gòu)縱向布置方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

裘華鋒

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310002)

1 工程概況

本工程為浙江省麗水市青田縣三溪口河床式水電站，電站裝機(jī)容量3×36.7 MW，主廠房由3個機(jī)組段和2個裝配場段組成，每個組段之間設(shè)20 mm寬變形縫，安裝場層地面以上主廠房全長99.7 m，寬24.0 m，高 24.2 m，主廠房內(nèi)設(shè)有一臺160/50/5 t、Sn=20.0 m、A3 工作制橋式起重機(jī)，軌高17.0 m，吊車最大輪壓為500 kN，每側(cè)設(shè)4個輪子，其中一個為剎車輪，輪距分別為2.3+3.9+2.3 m.

工程區(qū)域地震基本烈度小于Ⅵ度，故對本工程不進(jìn)行抗震設(shè)計.

工程所在區(qū)域內(nèi)基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2(重現(xiàn)期為50 a)，地面粗糙度為B類.

考慮施工工期和施工單位的施工條件及技術(shù)，該工程主廠房上部結(jié)構(gòu)采用排架結(jié)構(gòu)，屋蓋采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，橫向結(jié)構(gòu)的計算采用PKPM軟件中的PK程序設(shè)計，確定排架柱下柱截面為900 mm×2000 mm，上柱截面為900 mm ×1100 mm.

2 結(jié)構(gòu)平面布置方案

結(jié)構(gòu)布置重點(diǎn)注意事項:主廠房由于每個組段間均設(shè)有20 mm寬變形縫，且每個組段只布置三榀或四榀排架柱，故排架柱縱向很薄弱.同時排架柱在短期荷載組合情況下，柱頂縱向位移不宜超過H/4000［1］，即為 4.25 mm(H 為柱下端基礎(chǔ)面到吊車梁軌頂面的高度)，對縱向剛度要求很高.所以需采取措施保證縱向剛度的要求.

排架結(jié)構(gòu)縱向常規(guī)做法為每個區(qū)段內(nèi)設(shè)柱間支撐或縱向框架，其中柱間支撐是受力最直接，對縱向水平位移控制最為有效，符合常規(guī)單層工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)的縱向布置;縱向框架布置方法是水電站廠房的習(xí)慣做法，主要是由于對施工技術(shù)要求不高適合水利施工單位施工.現(xiàn)取受力最不利的三榀排架柱區(qū)段為計算單位，采用二種方案分別進(jìn)行比較，方案1為柱間支撐方案，在上柱柱頂設(shè)一通長水平系桿，在柱頂至牛腿頂之間設(shè)置上段柱間支撐，支撐采用傳力直接，構(gòu)造簡單，用料較省且剛度大的單片鋼結(jié)構(gòu)十字形交叉支撐，支撐設(shè)置于排架柱截面中心位置處.在吊車梁以下至柱腳處設(shè)置下段柱間支撐，由于軌頂標(biāo)高有17 m，為保證斜桿有利的傾斜角，采用雙層交叉支撐［2］，雙層支撐中間設(shè)置水平系桿，同時由于柱截面高度達(dá)到2 m，所以支撐采用雙片鋼結(jié)構(gòu)十字形交叉支撐，雙片支撐中心與排架柱截面中心位置重合，所有支撐截面根據(jù)水平力大小從《柱間支撐》05G336圖集中選取，布置見圖1和圖2.

圖1 方案1平面布置

圖2 方案1豎向布置

方案2為縱向框架方案，縱向框架布置結(jié)合建筑立面要求分別在柱頂，牛腿頂及下柱中間位置處分別設(shè)三道水平連系梁(連系梁截面見方案2豎向布置圖)，連系梁外側(cè)與柱外側(cè)平，此布置偏心較大在反復(fù)荷載作用下對柱產(chǎn)生不利影響，為減小偏心對柱子產(chǎn)生的不利影響，在連系梁與柱相接處設(shè)500 mm×1000 mm水平加腋［3］，布置見圖3 和圖4.

由于排架柱縱向布置工程經(jīng)驗所限，根據(jù)圖1～圖4的布置很難直接判定優(yōu)劣，因此需要進(jìn)行受力性能、工程造價、施工便利、外觀造型等全方位對比分析，最終確定最安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、合理的縱向布置方案.

3 布置方案的比較分析及選型

3.1 力學(xué)性能分析

本工程內(nèi)力分析僅考慮承受房屋端部山墻風(fēng)力、吊車縱向剎車力荷載，不考慮溫度應(yīng)力和地震作用，經(jīng)計算單列排架柱，柱頂風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值27 kN，牛腿頂風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值40 kN，吊車縱向制動力標(biāo)準(zhǔn)值50 kN.

圖3 方案2平面布置

圖4 方案2豎向布置

方案1 根據(jù)水平力大小，上柱支撐選用《柱間支撐》05G336圖集選用表中的ZCs－42－1a，下柱支撐選用ZCx－78－22，下柱雙層支撐間的水平系桿同上柱水平系桿.吊車梁頂面處縱向位移根據(jù)公式 Δ =Tdδ11/n［4］計算，經(jīng)計算縱向位移為 3.9mm(僅考慮吊車縱向制動力情況下)，滿足縱向剛度要求.

方案2 縱向框架經(jīng)PKPM軟件中的PK程序計算可知吊車梁頂面處縱向位移為4.5 mm(僅考慮吊車制動力情況下)，基本能滿足縱向剛度要求，同時通過內(nèi)力計算和配筋結(jié)果的分析可知排架柱縱向受力方向配筋均為最小配筋率控制.

由于柱間圍護(hù)墻上開窗面積較大、墻體偏置等原因，方案1和方案2中的內(nèi)力計算均未考慮柱間圍護(hù)墻對縱向剛度產(chǎn)生的有利影響.

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

為了更清楚判別二種布置方案的綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，針對二類不同縱向布置，以18～20軸之間的區(qū)段為計量單元，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)造價估算，價格根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌鰞r確定.鋼材綜合單價取4600元/t，混凝土綜合單價取480元/m3，模板綜合單價取35元/m2，詳見表1.從表1可見，方案2造價明顯比方案1高，高約27.0%，因此采用方案1比采用方案2明顯會節(jié)省投資，同時從方案1的用鋼量中可以看出柱間支撐用鋼量僅占總用鋼量的19.6%，結(jié)合方案2的排架柱縱向受力方向配筋均為最小配筋率控制，可以得出在每個區(qū)段內(nèi)排架榀數(shù)越多方案1節(jié)省投資也越多.

3.3 確定布置方案

從力學(xué)性能分析和工程造價角度來看，方案2無任何優(yōu)勢可言.從施工技術(shù)角度來看方案1比方案2的施工精度要求高，特別是對水利施工單位來說尤其，但考慮到廠房屋蓋采用輕鋼結(jié)構(gòu)，而且委托給專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)廠家制作和施工，所以支撐部分也可以由相應(yīng)單位制作和施工，以保證工程質(zhì)量.從施工用材和周期角度來看方案1比方案2可減少對模板和腳手架的使用量，縮短施工工期.從建筑美觀的角度來看，方案1中的墻面平整，不存在寬連系梁凸出墻面的問題，使墻面清爽不容易積灰，同時采用有規(guī)律布置的鋼結(jié)構(gòu)支撐與輕鋼屋蓋相呼應(yīng)，增加了工業(yè)建筑特有的藝術(shù)性.因此，經(jīng)綜合考慮后決定采用方案1的縱向結(jié)構(gòu)布置方案.

表1 二類方案不同縱向結(jié)構(gòu)造價分析

4 施工注意事項分析

鋼結(jié)構(gòu)支撐的正確制作、安裝是實現(xiàn)設(shè)計意圖，保證連接強(qiáng)度，提高工程質(zhì)量的關(guān)鍵，因此在制作和安裝工作中應(yīng)注意如下問題.

(1)鋼結(jié)構(gòu)支撐預(yù)埋件需事先預(yù)埋，并應(yīng)采用可靠方法定位，在排架柱砼灌注前和灌注后以及鋼結(jié)構(gòu)支撐安裝前應(yīng)仔細(xì)核對預(yù)埋件的數(shù)量和位置是否正確，確保其符合設(shè)計要求.

(2)由于電站位于河流上周圍環(huán)境相對較潮濕，應(yīng)按設(shè)計要求對鋼支撐及預(yù)埋件表面進(jìn)行嚴(yán)格的防腐、防銹處理，特別是對在現(xiàn)場進(jìn)行拼接的部位和在運(yùn)輸、安裝過程中對有損壞的部位.對下柱支撐直接與擋墻頂交接處應(yīng)先涂刷防銹漆后，再以C25混凝土進(jìn)行包裹(保護(hù)層厚度≥50 mm)，并應(yīng)使包裹的混凝土高出地面≥150 mm［5］.

(3)鋼結(jié)構(gòu)支撐除應(yīng)該進(jìn)行防腐、防銹處理外還應(yīng)根據(jù)建筑物耐火等級及構(gòu)件耐火時限要求進(jìn)行除火涂料涂裝.

(4)鋼結(jié)構(gòu)支撐須在排架柱混凝土達(dá)到強(qiáng)度之后，吊車梁和鋼屋架安裝之前進(jìn)行施工.

5 結(jié)語

在水電站廠房設(shè)計中縱向結(jié)構(gòu)布置經(jīng)常被看成是次要部分，不引起重視，其實縱向結(jié)構(gòu)布置關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，特別是對縱向排架柱較少，并且有大噸位吊車的結(jié)構(gòu)，因此，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)以及荷載的不同情況設(shè)置可靠的縱向布置.本工程由于每個區(qū)段內(nèi)排架榀數(shù)較少，缺少相關(guān)的工程經(jīng)驗，因此對不同的縱向結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行了詳盡的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的分析，保證了縱向結(jié)構(gòu)布置的經(jīng)濟(jì)性、安全性和合理性.

［1］水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院.SL266－2001水電站廠房設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［2］王文棟，殷芝霖，沙志國，等.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊［M］.3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［3］中國建筑科學(xué)研究院.JGJ3－2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［4］汪一駿，姜蘭潮，馮 東，等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊:上冊［M］.3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［5］北京鋼鐵設(shè)計研究總院.GB50017－2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社出版，2003.