喀麥隆曼維萊水電站廠房吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭 強(qiáng) 劉玉璽 李永勝 包第嘯

喀麥隆曼維萊水電站廠房吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭 強(qiáng) 劉玉璽 李永勝 包第嘯

曼維萊水電站的設(shè)計(jì)咨詢?yōu)榉▏?guó)科音公司，咨詢要求設(shè)計(jì)采用歐美標(biāo)準(zhǔn)，以廠房吊車梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)闡述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法。

廠房吊車梁 歐美標(biāo)準(zhǔn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 工程概況

曼維萊水電站位于喀麥隆共和國(guó)南部大區(qū)恩特姆省境內(nèi)，攔河壩位于恩特姆河上，電站采用引水徑流式開發(fā)，工程的主要任務(wù)是發(fā)電，最大引水流量450 m3/s，電站總裝機(jī)容量為211 MW。

發(fā)電廠房廠址位于壩址下游約4.0 km的恩特姆河左岸岸坡上，為引水式地面廠房。主廠房尺寸(長(zhǎng)×寬×高)121.5 m×26.5 m×52.9 m，廠內(nèi)選用1臺(tái)單小車150/50(工作級(jí)別M4)橋式起重機(jī)，最大輪壓425 kN。。

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 采用的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)

2 吊車梁的型式及尺寸選擇

吊車梁截面常用的有矩形、T 形和I 形等型式，根據(jù)吊車起重量、主廠房柱間距，結(jié)合水機(jī)專業(yè)鋼軌及埋置鋼軌附件布置要求，經(jīng)過多方面論證與考慮，本電站采用T 形截面。初步擬定T 形鋼筋混凝土吊車梁的梁高、翼緣寬度及腹板寬度分別是1 700、700、500 mm。根據(jù)廠房預(yù)制吊車梁平面布置圖，吊車梁共3種跨度，其長(zhǎng)度依次為：8.15、5.20、6.75 m。

3 荷載計(jì)算

3.1 主要荷載計(jì)算方法

吊車梁荷載主要包括梁自重、鋼軌及附件重、輪壓(考慮起吊最重件及平衡梁重量)、豎向沖擊力、水平制動(dòng)力、活荷載及地震荷載等。

荷載計(jì)算基本與國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算方法相同，這里不再詳述，僅有幾個(gè)與國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定不同的荷載描述如下。

3.1.1 橋機(jī)豎向荷載

按照ASCE STANDARD ASCEISEI 7-05規(guī)定，豎向荷載動(dòng)力系數(shù)為1.25，國(guó)內(nèi)水工規(guī)范為1.05。

3.1.2 水平制動(dòng)力

水平制動(dòng)力按吊車最大起重量及自重的20%計(jì)算，并均分到各個(gè)輪上。

3.1.3 活荷載

活荷載按照5 kPa考慮。

3.1.4 地震荷載

根據(jù)EM 1110-2-2200，按擬靜力法計(jì)算地震慣性力，計(jì)算方法如下。

水平地震慣性力：

Feh=∑GKh

式中Feh——水平地震慣性力，kN；

Kh——水平地震加速度；

Kho=aho/g，ah=0.03g(OBE)；

KhM=ahM/g，ah=0.06g(MDE)；

∑G——自重，kN。

豎向地震慣性力按2/3 水平地震慣性力計(jì)算。

3.2 荷載組合

按ACI 318規(guī)定，荷載組合如下：

U=1.4D；
U=1.2D+1.6L+1.6Pi；
U=1.2D+1.4EOBE+1.0L+1.0Pi；
U=1.2D+1.0EMDE+1.0L+1.0Pi；

荷載分別為自重D、活荷載L、吊車荷載Pi及地震荷載E。

3.3 內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)荷載組合計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，國(guó)內(nèi)外方法是一致的，因此這里不在贅述，本工程采用SAP2000計(jì)算。

4 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

承載能力極限狀態(tài)按美國(guó)規(guī)范計(jì)算，美國(guó)規(guī)范與中國(guó)規(guī)范的計(jì)算方法略有不同，不同之處按如下幾個(gè)方面簡(jiǎn)述。

4.1 正截面計(jì)算

4.1.1 基本假定

美國(guó)規(guī)范假定應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為矩形、梯形、拋物線形，極限壓應(yīng)變?nèi)?.003。

4.1.2 正截面計(jì)算的系數(shù)規(guī)定

中國(guó)、美國(guó)規(guī)范正截面計(jì)算時(shí)均將曲線的混凝土受壓區(qū)應(yīng)力分布等效為矩形分布。

4.1.3 鋼筋應(yīng)力計(jì)算公式

中國(guó)和美國(guó)的鋼筋應(yīng)力計(jì)算公式，是以混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變?chǔ)與u作為構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)標(biāo)志而給出的。按平截面假定，可寫出截面任意位置處的鋼筋應(yīng)力計(jì)算公式。

4.1.4 正截面受彎承載力計(jì)算

中美規(guī)范關(guān)于正截面受彎承載力的基本原理是一致的，但美國(guó)規(guī)范的規(guī)定較簡(jiǎn)單，主要計(jì)算公式如下。

ACI 318規(guī)定，受彎構(gòu)件最小配筋面積：

式中f'c——混凝土特征強(qiáng)度，MPa；

fy——鋼筋屈服強(qiáng)度，MPa；

bw——矩形截面寬度或T形截面肋寬，mm，對(duì)于翼緣處于受拉狀態(tài)的T形截面,取翼緣寬度及2bw二者中的較小值；

d——截面有效高度，mm。

截面配筋面積小于最小配筋面積時(shí)，按最小配筋率進(jìn)行配筋計(jì)算；如大于最小配筋面積，則截面配筋率按下式計(jì)算：

Mn——彎矩設(shè)計(jì)值，MPa；

Mu——彎矩計(jì)算值，MPa；

φ——強(qiáng)度折減系數(shù)。

根據(jù)本項(xiàng)目安裝間最大跨度吊車梁的計(jì)算結(jié)果，按美國(guó)規(guī)范計(jì)算縱向鋼筋面積13 566 mm2，按國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算為12 505 mm2，兩者計(jì)算結(jié)果差距不大。

4.2 斜截面承載力計(jì)算

對(duì)于無(wú)腹筋受彎構(gòu)件受剪承載力的計(jì)算，中國(guó)、美國(guó)規(guī)范的公式都是經(jīng)驗(yàn)公式，中國(guó)規(guī)范的計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)單，而美國(guó)規(guī)范的公式比較復(fù)雜，考慮的因素很多。

美國(guó)規(guī)范有關(guān)計(jì)算方法如下。

只配置抗剪箍筋時(shí)：

配置抗剪箍筋及彎起鋼筋時(shí)：

式中Av——抗剪箍筋面積；

Ab——抗剪彎起鋼筋面積；

Vu——計(jì)算剪力；

Vc——混凝土的受剪承載力；

Vs——箍筋的受剪承載力；

α——彎起鋼筋的彎起角；

s——箍筋間距。

本項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果，按美國(guó)規(guī)范計(jì)算Av/s=6，彎起鋼筋面積2 475 mm2，按國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算Av/s=4.1，彎起鋼筋面積2 484 mm2，從結(jié)果可以看出，箍筋配置兩國(guó)計(jì)算方法差距較大，彎起鋼筋結(jié)果相近。

4.3 受扭承載力計(jì)算

中國(guó)規(guī)范考慮剪力與扭矩的相互作用計(jì)算所需抗剪和抗扭縱向鋼筋和箍筋的面積，用βt反映剪扭作用下混凝土受扭承載力的降低，縱向鋼筋截面面積分別由正截面受彎承載力和剪扭構(gòu)件受扭承載力計(jì)算，并按所需的鋼筋截面積進(jìn)行配置。

美國(guó)規(guī)范規(guī)定，對(duì)于扭矩、剪力、彎矩和軸力共同作用的情況，單獨(dú)計(jì)算抗扭、抗剪、抗彎和抗壓所需鋼筋，然后進(jìn)行疊加。

美國(guó)規(guī)范有關(guān)計(jì)算方法如下：

式中Acp——混凝土橫截面周長(zhǎng)所包圍的面積，mm2；

Pcp——混凝土截面外沿周長(zhǎng)，mm；

φ——強(qiáng)度折減系數(shù)；

Tu—— 截面上的計(jì)算扭矩，kN·m。

抗扭箍筋的最小截面面積應(yīng)按下式計(jì)算：

但不應(yīng)小于0.35bw/fyt；

縱向受扭鋼筋的最小總截面面積 (mm2)：

式中At/s≥0.175bw/fyt；

fyt——抗扭箍筋屈服強(qiáng)度，MPa；

fy——縱向抗扭鋼筋屈服強(qiáng)度，MPa。

截面配筋面積小于最小配筋面積時(shí)，按最小配筋率進(jìn)行配筋計(jì)算；如大于最小配筋面積，則截面配筋率按下式計(jì)算：

φTn≥Tu

式中θ——彎起鋼筋與軸線夾角, 不應(yīng)小于30°也不應(yīng)大于60°；

A0——剪力流包圍的總面積，mm2。

本項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果，按美國(guó)規(guī)范計(jì)算At/s=0.7，縱向受扭鋼筋面積3 216 mm2，按國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)算At/s=1.0，彎起鋼筋面積4 800 mm2，從結(jié)果可以看出，箍筋配置差距較大，彎起鋼筋結(jié)果相近。

5 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

5.1 抗裂驗(yàn)算

中國(guó)規(guī)范的抗裂驗(yàn)算包括正截面抗裂驗(yàn)算和斜截面抗裂驗(yàn)算。美國(guó)規(guī)范控制鋼筋間距和鋼筋應(yīng)力，給出了非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件鋼筋間距(應(yīng)力)公式及上限值和預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的鋼筋間距(應(yīng)力)限值。

5.2 裂縫寬度驗(yàn)算

中國(guó)規(guī)范給出了矩形、T形、倒T形和I形截面受拉、受彎和偏心受壓構(gòu)件的裂縫寬度計(jì)算公式。美國(guó)規(guī)范通過控制鋼筋間距和鋼筋應(yīng)力限制裂縫。

5.3 受彎構(gòu)件撓度的驗(yàn)算

建筑和水工規(guī)范的長(zhǎng)期剛度是在短期剛度基礎(chǔ)上考慮長(zhǎng)期作用對(duì)撓度增大的影響得出的。

美國(guó)規(guī)范分兩種情況驗(yàn)算撓度：可不進(jìn)行計(jì)算和需計(jì)算的情況。對(duì)于不計(jì)算的情況，應(yīng)滿足最小厚度要求。對(duì)于需計(jì)算的情況應(yīng)計(jì)算有效慣性距和毛截面慣性距，然后計(jì)算撓度并與限值比較。

6 結(jié) 語(yǔ)

中美兩規(guī)范配筋計(jì)算從荷載、荷載組合、安全系數(shù)及計(jì)算公式等方面均略有不同，但原理基本一致，計(jì)算結(jié)果亦差距不大。

曼維萊水電站廠房吊車梁結(jié)構(gòu)按美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)，滿足了法國(guó)咨詢的要求并獲得審批，目前工程已完工，運(yùn)行良好。本文通過中美規(guī)范設(shè)計(jì)方法的對(duì)比，介紹了美國(guó)規(guī)范關(guān)于吊車梁計(jì)算的方法，希望通過本吊車梁的設(shè)計(jì)為類似國(guó)外工程的吊車梁設(shè)計(jì)提供借鑒。

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1007-6980(2017)03-0031-03

郭 強(qiáng) 男 高級(jí)工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

劉玉璽 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

李永勝 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

包第嘯 男 工程師 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-05)