水電站廠房上部結(jié)構(gòu)選型概述

沈躍其 鄭建軍

(1.平湖市廣陳鎮(zhèn)農(nóng)技水利服務(wù)中心，浙江平湖 314207; 2.金華市婺城區(qū)烏溪江引水工程管理處，浙江金華 321075)

1 工程基本概況

龍開(kāi)口水電站位于云南省鶴慶縣中江鄉(xiāng)境內(nèi)的金沙江中游河段上，是規(guī)劃中金沙江中游河段8個(gè)梯級(jí)電站的第6級(jí)電站，上接金安橋水電站，下鄰魯?shù)乩娬?。龍開(kāi)口水電站廠房為壩后式地面廠房，布置在右岸臺(tái)地上，裝機(jī)5臺(tái)，單機(jī)容量為360 MW，主廠房由右至左為安裝場(chǎng)和機(jī)組段，其尺寸(發(fā)電機(jī)層平面):安裝場(chǎng)長(zhǎng)66 m，機(jī)組段長(zhǎng)4×33+39=171 m，主廠房總長(zhǎng)237 m，主廠房橋機(jī)跨度為30m。大壩的抗震設(shè)防烈度為9度;廠房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度。

2 結(jié)構(gòu)型式比較方案擬定

龍開(kāi)口水電站地處8度地震區(qū)，電站機(jī)組規(guī)模較大，廠房單機(jī)組段長(zhǎng)33 m，發(fā)電機(jī)層以上寬36.5 m，上部空間較大，結(jié)構(gòu)相對(duì)單薄。廠房上部結(jié)構(gòu)除滿足各種工況下的運(yùn)行要求外，尚應(yīng)具備良好的抗震性能。

2.1 廠房上部結(jié)構(gòu)型式比較方案擬定

龍開(kāi)口廠房地震設(shè)計(jì)烈度8度，主廠房寬度36.5 m，考慮到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較之鋼屋架，空間剛度大，具有良好的抗震性能，參照同類規(guī)模相近工程的經(jīng)驗(yàn)，廠房屋面結(jié)構(gòu)型式推薦采用鋼網(wǎng)架。

根據(jù)目前已建、在建相似規(guī)模工程的類比，結(jié)合主廠房上下游側(cè)可行的結(jié)構(gòu)型式(梁柱或?qū)嶓w墻)，廠房上部結(jié)構(gòu)型式擬定三個(gè)方案。

1)實(shí)體墻方案。

廠房上部主要受力結(jié)構(gòu)由實(shí)體墻、吊車牛腿、網(wǎng)架屋面系統(tǒng)組成。吊車牛腿以下上下游均采用實(shí)體墻，墻厚2.0 m。牛腿以上上下游各布置4榀小柱，小柱斷面尺寸為2.0 m×1.5 m(高×寬，注:下同)，柱頂設(shè)有聯(lián)系梁。

2)墻柱方案。

廠房上游采用實(shí)體墻，下游為立柱。上游墻及吊車牛腿以上小柱結(jié)構(gòu)布置及尺寸同墻墻方案，下游側(cè)牛腿以下亦布置4榀立柱，下游大柱的斷面尺寸為3.0 m×1.5 m。

3)排架柱案。

廠房上部主要受力結(jié)構(gòu)由立柱、吊車梁、網(wǎng)架屋面系統(tǒng)組成，上下游各布置4榀排架柱，牛腿以下立柱斷面尺寸為3.0 m×1.5 mm，牛腿以上結(jié)構(gòu)布置和尺寸同墻墻方案。

上述各方案屋面采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架與墻(柱)結(jié)構(gòu)的連接方式對(duì)二者的應(yīng)力和位移影響較大。由于廠房跨度大，溫度變化及荷載作用下，網(wǎng)架將產(chǎn)生較大變形。若網(wǎng)架與墻(柱)固定鉸接，完全限制相對(duì)水平位移，對(duì)排架結(jié)構(gòu)有利，但是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力偏大，將大幅度增加網(wǎng)架構(gòu)件的斷面尺寸。為了適應(yīng)屋面結(jié)構(gòu)變形、傳遞水平力的要求，網(wǎng)架與墻(柱)之間需允許有一定數(shù)值的相對(duì)位移。由于支座型式不影響上部結(jié)構(gòu)研究的結(jié)論，為了結(jié)構(gòu)安全，并留有適當(dāng)?shù)挠喽?，本課題初步選用板式橡膠支座。下階段結(jié)合屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)支座型式進(jìn)行深入研究。根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)參照三峽研究成果，擬采用正方四角錐鋼網(wǎng)架，焊接球節(jié)點(diǎn)，下鉉支承。

2.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分析的結(jié)果

廠房結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于運(yùn)行狀態(tài)下，地震工況下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)是本專題關(guān)注的重點(diǎn)，故在方案比較時(shí)僅對(duì)正常運(yùn)行、校核洪水、和地震工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移進(jìn)行分析、比較。

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型取一個(gè)完整的中間機(jī)組段作為一個(gè)受力單元。

由于水電站廠壩結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，數(shù)值計(jì)算采用有限單元法進(jìn)行。選擇大型通用的結(jié)構(gòu)分析商業(yè)軟件ANSYS，該計(jì)算軟件可進(jìn)行線彈性及非線性結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析及耦合場(chǎng)分析等各種不同類型的計(jì)算，計(jì)算精度高，具有較強(qiáng)大的前后處理能力。計(jì)算的通用性和可靠性較好，計(jì)算結(jié)果具有良好的可信度。

廠房上部結(jié)構(gòu)不論采用何種型式，由于結(jié)構(gòu)單薄，其工程量占主體工程的比重均很低，盡管各方案的混凝土工程量略有差別，但對(duì)工程投資影響很小。

在本工程實(shí)例中，通過(guò)分析計(jì)算，墻墻方案結(jié)構(gòu)布置靈活，較其他方案布置適應(yīng)性好。三個(gè)方案結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力均基本滿足設(shè)計(jì)要求，部分工況結(jié)構(gòu)位移較大，只需對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行微調(diào)，即可滿足運(yùn)行要求。柱柱方案結(jié)構(gòu)單薄，抗扭剛度小，較其他方案靜力工況的結(jié)構(gòu)位移和地震工況的結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力為最大，柱柱方案為滿足部分工況結(jié)構(gòu)位移的要求而對(duì)柱子斷面尺寸進(jìn)行調(diào)整，由于廠房運(yùn)行有一定凈空的需要，使得廠房上部總寬度尺寸有所增加。墻柱方案上下游側(cè)結(jié)構(gòu)縱向剛度不對(duì)稱，縱向位移差異大，扭轉(zhuǎn)作用明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震較為不利?？紤]到本工程地震烈度高，墻墻方案結(jié)構(gòu)對(duì)稱，剛度大，抗震性能明顯好于其他兩個(gè)方案，優(yōu)勢(shì)明顯。尤其是邊機(jī)組段邊墻較厚，其地震慣性力對(duì)排架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響較大，墻墻方案上游墻體和邊墻結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)，可減小因地震慣性力引起的扭矩，在很大程度上改善了結(jié)構(gòu)的受力條件。綜上分析，推薦采用墻墻方案。

3 結(jié)語(yǔ)

合理選擇上部結(jié)構(gòu)型式對(duì)電站安全運(yùn)行至關(guān)重要，為此需進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗震分析。必須通過(guò)數(shù)值分析，全面了解各可行結(jié)構(gòu)布置方案結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程類比，優(yōu)選廠房上部結(jié)構(gòu)型式、尺寸和結(jié)構(gòu)措施，滿足高地震區(qū)廠房結(jié)構(gòu)的運(yùn) 行要求。