某抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)加固設計

張家宏，李 萌，呂小彬

（中國水利水電科學研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

抽水蓄能電站利用其兼有水輪機和水泵的功能，以水為能量轉(zhuǎn)換的載體，在電力負荷低谷時做水泵運行，吸收電力系統(tǒng)多余電能將下水庫的水抽到上水庫儲存起來。在電力負荷高峰時做水輪機運行，將水放至下水庫，將水的位能轉(zhuǎn)換成電能送回電網(wǎng)。對于抽水蓄能電站而言，由于電站在電網(wǎng)中擔任調(diào)峰、調(diào)相等穩(wěn)定電網(wǎng)的重要角色，發(fā)電機組一般具有高水頭、大容量、機組高轉(zhuǎn)速、水流雙向運轉(zhuǎn)及工況變換頻繁等特點，故結(jié)構(gòu)的振動問題較常規(guī)電站更復雜與突出［1］。

國內(nèi)外已建的抽水蓄能電站中，地下廠房的振動問題較為普遍。異常的振動常常會導致廠房混凝土結(jié)構(gòu)開裂，影響結(jié)構(gòu)耐久性甚至危及結(jié)構(gòu)安全，為此，國內(nèi)外學者開展了很多相關(guān)研究［2-7］。廠房的加固處理需要開展裂縫成因分析和加固效果的研究，在此基礎上制定諸如減振、提高結(jié)構(gòu)剛度及結(jié)構(gòu)加固等處理措施［8］。已有研究成果表明，地下廠房采用厚板加固來解決振動問題效果并不十分明顯［9］。本文旨在提出一種廠房局部加固措施，既能解決振動危害又能減少對電廠運行影響，以國內(nèi)某抽水蓄能電站地下廠房為例，在現(xiàn)場質(zhì)量檢測和結(jié)構(gòu)安全分析的基礎上，分析論證加固方案的合理性，提出補強加固裂縫和提高梁板橫向剛度的局部加固方案，并對設計方案進行較細致的結(jié)構(gòu)設計。

2 工程概況

某大型抽水蓄能電站地下廠房于1990年代竣工投產(chǎn)，主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土樓板、梁、柱及混凝土邊墻組成的框架結(jié)構(gòu)，長92.50 m、寬21.00 m，由上到下分為發(fā)電機層、中間層、水泵水輪機層、蝸殼層以及底部的管廊道、集水廊道等。機組中心線距上游側(cè)11.50 m，距下游側(cè)9.50 m，機組由蝸殼外包混凝土、機墩、風罩等結(jié)構(gòu)支撐。發(fā)電機層樓板厚0.25 m，中間層樓板厚0.20 m，水泵水輪機層樓板厚0.30 m，蝸殼層底板厚1.00 m。蝸殼層上、下游側(cè)均設置1.00 m厚的混凝土邊墻，水泵水輪機層以上設有斷面尺寸為0.60 m×0.85 m的框架柱，柱與柱之間砌筑0.18 m厚防潮墻，墻與巖面之間形成通風通道及電纜通道。

電站經(jīng)過多年的運行，在地下廠房結(jié)構(gòu)施工縫周邊的發(fā)電機層、中間層及水泵水輪機層的樓板和梁出現(xiàn)了裂縫，這些裂縫并非典型的受拉、受壓、彎曲、剪切等作用下的形態(tài)，并且規(guī)律性差、分散性很大。大多數(shù)出現(xiàn)裂縫的梁、板上面并無特別的靜荷載，更沒有直接作用的動荷載。初步分析裂縫可能是結(jié)構(gòu)振動引起。

為了進一步查清缺陷和病害情況，開展了現(xiàn)場質(zhì)量檢測，檢測結(jié)果如下：（1）發(fā)電機層和中間層梁板測點的強度推定值離散性較大，個別測點強度推定值低于混凝土設計強度等級較多。（2）鋼筋混凝土保護層厚度均滿足設計要求，混凝土處于輕微碳化階段，鋼筋尚未受到銹蝕的威脅。（3）出現(xiàn)裂縫的梁和板主要集中在吊物孔、樓梯口附近，梁的裂縫多分布于兩側(cè)。發(fā)電機層被測22根梁的縫深在84～202 mm之間，除4L10-4（位于3#發(fā)電機球閥吊物孔下游，搭接在風罩混凝土上）縫寬0.4 mm外，其余梁的縫寬均小于0.3 mm。中間層被測23根梁的縫深在88～220 mm之間，其中3 L33-4和3 L34的縫寬分別為0.35和0.4 mm，其余梁的縫寬均小于0.3 mm。

3 結(jié)構(gòu)安全評價與加固方案

3.1 不利于抗振的結(jié)構(gòu)因素從結(jié)構(gòu)抗振的角度上來看，早期設計的廠房結(jié)構(gòu)存在以下幾個薄弱環(huán)節(jié)：（1）樓板較薄，厚度僅為200～400 mm，而目前地下廠房樓板設計厚度一般約900 mm；（2）機墩結(jié)構(gòu)尺寸總體偏薄，風罩厚度為700 mm，機墩最小厚度為2200 mm；（3）分縫不合理，4臺機組僅設一道結(jié)構(gòu)縫，為滿足機組先后投產(chǎn)需要而在1#-2#、3#-4#機組之間分別設置了施工縫，該施工縫既非純粹的施工縫，也非完全的結(jié)構(gòu)縫，使得分縫處振動對結(jié)構(gòu)影響更為不利。

3.2 結(jié)構(gòu)安全分析與評價

3.2.1 機墩結(jié)構(gòu)振動特性分析 對機墩結(jié)構(gòu)進行動力分析，計算結(jié)果表明，廠房機墩結(jié)構(gòu)存在著與發(fā)電機7倍頻率（7×8.33=58.3 Hz），十分靠近的高階自振頻率。其中：（1）第4階頻率為54.8 Hz，縱軸向振型質(zhì)量參與系數(shù)26.2%；（2）第5階頻率為57.3 Hz，橫軸向和豎向振型質(zhì)量參與系數(shù)分別為20.1%和8.7%；（3）第6階頻率為63.0 Hz，豎向振型質(zhì)量參與系數(shù)高達53.1%。因此，不滿足水電站廠房設計規(guī)范［10］中有關(guān)機墩自振頻率與強迫振動頻率要相互錯開20%～30%的規(guī)定，機墩結(jié)構(gòu)在發(fā)電機水力沖擊引起的7倍振動頻率激勵下可能發(fā)生共振現(xiàn)象，從而導致廠房結(jié)構(gòu)振動較大。

3.2.2 廠房結(jié)構(gòu)動力分析 采用有限元法進行了廠房動力分析，計算考慮兩機同開穩(wěn)態(tài)發(fā)電工況（9種動力荷載頻率）和兩臺機組同時開機瞬態(tài)工況。動力計算結(jié)果表明：（1）廠房局部結(jié)構(gòu)在發(fā)電機7倍頻穩(wěn)態(tài)振動和瞬態(tài)開機的激勵下存在動力響應較大的問題，主要體現(xiàn)在梁和板上的質(zhì)點振動速度較大，這可能會引起結(jié)構(gòu)的局部損傷。（2）廠房結(jié)構(gòu)的風罩和機墩在機組動力荷載作用下強迫振動振幅小于0.1 mm，滿足水電站廠房設計規(guī)范的要求。（3）廠房結(jié)構(gòu)上選取的典型梁在不同動力荷載工況下的最大彎矩、剪力和軸力等內(nèi)力值均不是很大。彎矩以垂直向的彎矩較大，最大為96 kN·m，一般都在50 kN·m以下；軸拉力最大190 kN，一般都在150 kN以下。這樣的內(nèi)力幅值應不會對梁結(jié)構(gòu)安全造成嚴重影響，但在應力組合情況下很容易使梁開裂。

3.2.3 總體安全評價 根據(jù)三維有限元模型計算結(jié)果和廠房實際運行狀況來看，在振動荷載的作用下，廠房結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等主要承力構(gòu)件并未出現(xiàn)承載能力極限狀態(tài)的破壞征兆，可判斷廠房結(jié)構(gòu)目前是安全的。但存在施工縫設置不合理、施工縫及孔洞周邊結(jié)構(gòu)存在薄弱部位和受損情況、部分構(gòu)件混凝土存在缺陷、機組開停機工況結(jié)構(gòu)動力響應偏大等問題。鑒于抽水蓄能電站的機組起停機次數(shù)遠比常規(guī)水電站頻繁，機組和結(jié)構(gòu)振動問題更需重視，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題如果得不到及時、有效的解決與控制，會加劇構(gòu)件的疲勞損傷，對混凝土的安全與耐久性產(chǎn)生不利的影響，為保證電站長期的正常使用功能，需對結(jié)構(gòu)進行加固處理。

3.3 加固方案綜述加固方案的選擇應充分考慮電站的連續(xù)運行特點，遵循安全可靠、施工適度原則，在滿足規(guī)范要求的前提下，不過度加重廠房結(jié)構(gòu)負擔，合理選擇施工材料，避免或盡量降低對原結(jié)構(gòu)造成損傷。采用局部構(gòu)件補強加固的措施，即對發(fā)電機層和中間層的施工縫附近、吊物孔周邊、混凝土強度偏低、動力響應較大及出現(xiàn)裂縫的梁板進行補強修復處理，限制裂縫的進一步發(fā)展，提高構(gòu)件抗疲勞的安全儲備。根據(jù)上述加固原則，確定發(fā)電機層和中間層需要補強加固的梁共計102根，中間層樓板共計3塊。另外，對發(fā)電機層和中間層的施工縫進行處理。

采取的局部構(gòu)件補強加固措施主要包括：（1）對于加固范圍內(nèi)梁、板的裂縫部位進行改性環(huán)氧化學灌漿處理；（2）在被加固梁的兩側(cè)面及底部采用粘貼碳纖維布進行補強，在被加固樓板的底面采用粘貼碳纖維布進行補強；（3）被加固梁側(cè)面每隔0.5 m設置鋼箍板和鋼肋板與樓板連接，有針對性地加強梁與樓板的連接，充分利用樓板水平向剛度大的特點，增加梁構(gòu)件側(cè)向剛度和抗彎拉、抗疲勞能力；（4）對于中間層跨度較大的樓板，增設鋼次梁以加強其剛度；（5）發(fā)電機層和中間層的施工縫，采用柔性填料進行嵌填處理，并對地面裝飾層重新分縫。

局部構(gòu)件補強加固的修復方案基本不改變原整體結(jié)構(gòu)的剛度，雖然對提高廠房整體抗振性能作用不大，但能夠修復補強混凝土結(jié)構(gòu)缺陷，改變梁板構(gòu)造鋼筋不足的現(xiàn)狀，進一步提高結(jié)構(gòu)的承載能力，增加抗振和抗疲勞的強度儲備，限制結(jié)構(gòu)裂縫的進一步發(fā)展。另一方面，該方案對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷較小，基本不影響機電設備布置，具有工程投資小、施工難度低、工期短的優(yōu)勢。同時，本加固方案實施后仍可為以后采取其他更為先進的加固技術(shù)和改造措施留下了余地。

4 結(jié)構(gòu)設計

4.1 粘貼碳纖維布梁側(cè)面和底面粘貼碳纖維層數(shù)的計算遵循如下原則：（1）為提高鋼筋混凝土梁的抗裂性能，無論是梁底面還是梁側(cè)面最少粘貼1層高強度I級碳纖維布；（2）考慮施工因素，在混凝土裂縫控制在0.40 mm（即《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（DL/T 5057-2009）［11］規(guī)定的一類環(huán)境下混凝土最大裂縫寬度限值）的前提條件下，無論是梁底面還是梁側(cè)面最多粘貼3層高強度I級碳纖維布；（3）以將混凝土裂縫寬度控制在0.15 mm（即《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》規(guī)定的五類環(huán)境下混凝土最大裂縫寬度限值）作為粘貼碳纖維層數(shù)計算依據(jù)；（4）結(jié)合現(xiàn)場板、梁檢測結(jié)果，裂縫數(shù)量較多以及縫寬較大的構(gòu)件表面適當增加粘貼碳纖維層數(shù)。

目前結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要缺陷是混凝土開裂，屬于正常使用極限狀態(tài)問題。理論和試驗研究［12］表明，粘貼碳纖維并不能防止混凝土開裂，只能起到控制裂縫發(fā)展的作用，這一點和鋼筋混凝土中配筋的作用相似。因此，在本文設計中，粘貼碳纖維的計算原理是基于提高鋼筋混凝土梁的抗裂能力。但是，在國家現(xiàn)行的混凝土設計和加固規(guī)范中還沒有針對粘貼碳纖維提高混凝土抗裂能力的規(guī)定，因此采取將碳纖維等同于鋼筋的近似方法來評價粘貼碳纖維對提高混凝土抗裂能力的效果，并據(jù)此提出碳纖維材料性能和粘貼層數(shù)的要求。

對比研究了《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010-2010）［13］、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（DL/T 5057-2009）和《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（SL 191-2008）［14］三種標準中有關(guān)裂縫控制方面的條文規(guī)定，國標規(guī)范在上述三種規(guī)范中發(fā)布時間最晚，與其它兩種規(guī)范相比國標規(guī)范在裂縫控制方面的條文規(guī)定最為清晰，故選取《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》作為本文計算的依據(jù)。

按荷載標準組合或準永久組合并考慮長期作用影響的混凝土最大裂縫寬度計算公式如下：

式中：αcr為構(gòu)件受力特征系數(shù)，偏心受拉構(gòu)件取2.4；ψ為裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數(shù)，動荷載作用下構(gòu)件承受重復荷載，取1.0；σs為按荷載準永久組合計算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉普通鋼筋應力；Es為鋼筋彈性模量，取2×105MPa；cs為最外側(cè)受拉鋼筋（貼碳纖維時即為碳纖維）外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離，mm；deq為受拉區(qū)縱向鋼筋等效直徑，mm；ρts為按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率，當ρts＜0.01時，取0.01。

其中，σs為：

式中：Nq為按荷載準永久組合計算的軸向力，N；e′為軸向拉力作用點至受壓區(qū)或受拉較小邊縱向鋼筋合力點的距離，mm；As為偏心受拉構(gòu)件受拉較大邊縱向鋼筋面積，mm2；h0為截面有效高度，mm；αs為受壓區(qū)或受拉較小邊縱向鋼筋合力點至截面受壓或受拉較小邊緣距離，mm。

deq為：

式中：ni為受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的根數(shù)；di為受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的公稱直徑；νi為受拉區(qū)第i種縱向鋼筋的相對黏結(jié)特性系數(shù)，取1.0。

ρte為：

式中：Ap為預應力鋼筋面積，本文取0；Ate為有效受拉混凝土截面面積，mm2，對偏心受拉構(gòu)件取Ate=0.5bh+(bf-b)hf，此處b、h為截面的腹板寬度、截面高度，bf、hf為受拉區(qū)的翼緣寬度、高度，本次計算中不考慮樓板翼緣，近似取Ate=0.5bh；As為受拉區(qū)縱向鋼筋截面面積，mm2，粘貼碳纖維時考慮其等效鋼筋的截面面積，即：

式中，As，cfrp為碳纖維等效鋼筋截面面積，mm2；Acfrp為碳纖維截面面積，mm2；Ecfrp為碳纖維彈性模量，對高強度I級碳纖維布取2.3×105MPa。

以發(fā)電機層4 L10梁為例，粘貼碳纖維層數(shù)計算結(jié)果見表1，加固設計圖見圖1。

表1 典型梁粘貼碳纖維層數(shù)計算結(jié)果

4.2 肋板結(jié)構(gòu)設計以增大梁側(cè)向剛度為目的，通過設置肋板將梁與樓板連接，提高結(jié)構(gòu)整體性，從而使梁側(cè)向剛度得到加強?？紤]到施工可操作性，采用間隔式布設加強肋板的措施。為此，采用了有限元法通過計算驗證梁側(cè)向剛度提高幅值。計算模型為凈跨5.0 m、凈高0.6 m的梁，板厚0.3 m，梁兩側(cè)樓板各取一半長度2.4 m，肋板為8 mm厚鋼板，按照中心距0.5 m布置，錨固鋼板為150 mm×8 mm的扁鋼?；炷翉姸鹊燃墳镃20，鋼材為Q235。梁、板及鋼板均采用三維實體單元進行建模。梁兩端全約束，梁橫向樓板兩端法向約束，在梁中間底部位置施加水平集中荷載。

計算結(jié)果表明，設置肋板后梁的變形減小約17%，從而可判斷增設肋板方案能夠提高結(jié)構(gòu)剛度約15%～20%。

根據(jù)有限元分析結(jié)果以及施工等因素綜合考慮增設肋板尺寸為：肋板采用8 mm厚鋼板，間距0.5 m，焊接在150 mm×8 mm扁鋼上，通過粘錨結(jié)合的方式將加強肋板與梁、板進行連接。

4.3 鋼次梁結(jié)構(gòu)設計剛次梁選用HW300型鋼（H=294 mm，B=302 mm），長2.380 m，通過粘錨結(jié)合的方式與原樓板連接。剛次梁兩端通過焊接在錨固鋼板（500 mm×500 mm×10 mm）上的兩塊連接肋板（240 mm×110 mm×8 mm）與原梁進行連接。錨固鋼板通過粘錨結(jié)合的方式與原梁連接，連接肋板采用單面角焊縫連接于錨固鋼板上。鋼次梁與連接肋板之間采用3根高強度摩擦型螺栓連接，摩擦面采用鋼絲刷打磨處理，螺栓采用M20，性能等級為10.9級。

圖1 典型梁加固示意圖（單位：mm）

圖2 典型樓板鋼次梁加固示意圖（單位：mm）

鋼材選用Q235BZ鋼。鋼次梁加固設計圖見圖2。

（1）角焊縫強度計算。連接肋板（厚8 mm）采用單面角焊縫連接于錨固鋼板（厚10 mm）上，手工焊，采用E43型焊條。直角角焊縫的強度按鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范［15］中的公式計算：

式中：σf為按焊縫有效截面（helw）計算垂直于焊縫長度方向的應力；τf為按焊縫有效截面計算沿焊縫長度方向的剪應力；he為角焊縫的計算厚度，對直角角焊縫取0.7hf，hf為焊腳尺寸；lw為角焊縫的計算長度，對每條焊縫取其實際長度減去2hf；為角焊縫的強度設計值；βf為正面角焊縫的強度設計值增大系數(shù)，承受靜力荷載和間接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)取1.22，直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)取1.0。

角焊縫的焊腳尺寸hf取8 mm，角焊縫的計算厚度為5.6 mm；角焊縫的計算長度lw為224 mm，角焊縫抗剪強度設計值為160 N/mm2。經(jīng)過復核，焊縫強度滿足結(jié)構(gòu)承載力要求。

（2）高強度摩擦型螺栓連接計算。在抗剪連接中，每個高強度螺栓的承載力設計值應按下式計算：

式中：nf為傳力摩擦面數(shù)目； μ為摩擦面抗滑移系數(shù)；P為1個高強度螺栓的預拉力。

經(jīng)過復核，3根高強度螺栓的抗剪承載力為251.1 kN，可滿足抗剪承載力（142.7 kN）的要求。

高強度摩擦型螺栓連接處的強度應按下式計算：

式中：n為連接處構(gòu)件連接的高強度螺栓數(shù)目；n1為所計算截面上高強度螺栓數(shù)目；An為構(gòu)件凈截面面積；f為抗剪強度設計值。

因構(gòu)件厚度為12 mm小于兩蓋板厚度之和20 mm，所以按構(gòu)件鋼板計算。Q235鋼材抗剪強度設計值為125 N/mm2。經(jīng)過復核，高強度摩擦型螺栓連接處鋼板承載力滿足要求。

（3）鋼次梁兩端錨固鋼板錨栓承載力計算?；瘜W錨栓采用M16，性能等級5.8，剪切荷載設計值V為142.1 kN，偏心距e為0.06 m，彎矩設計值M為8.53 kN·m。單根錨栓鋼材的受拉承載力設計值按下式計算：

圖3 化學錨栓群錨彎剪受力示意圖（單位：mm）

錨栓群處于彎剪受力情況（如圖3所示），當彎矩M單獨作用下錨栓群實際上處于受拉（壓）狀態(tài)，受拉區(qū)拉力最大的一排錨栓對承載力起控制作用，根據(jù)錨栓彈性計算理論，連接件與基材受力變形后仍保持為平面，錨板處平面剛度較大，彎曲變形忽略不計，即連接件在彎矩作用下繞錨板下邊緣轉(zhuǎn)動，但是實際工程中較難保證錨板的剛度無限大，尤其受壓錨栓會對連接件的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一定的約束作用，因此近似認為錨板繞受壓側(cè)最外排錨栓轉(zhuǎn)動，則受拉最大錨栓的拉力值可按下式計算：

無杠桿臂受剪單根錨栓鋼材的承載力設計值按下式計算：

式中：Va為錨栓鋼材受剪承載力設計值；fud，v為錨栓鋼材用于抗剪計算的強度設計值。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》［16］規(guī)定，若邊距小于10倍錨固深度，則只有部分錨栓承受剪力，本文考慮只有最外排4根錨栓承受剪力，則單根錨栓最大剪力值為35.525 kN。經(jīng)過復核，錨栓鋼材抗剪承載力滿足要求。

（4）基材混凝土受拉承載力驗算。對于定型化學錨栓，基材混凝土的承載力按下式進行驗算［16］：

經(jīng)過復核，基材混凝土受拉承載力滿足要求。

4.4 加固設計應用效果評價本文設計的某抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)加固工程已經(jīng)實施，4年多來工程運行良好，未見結(jié)構(gòu)開裂及新的裂縫發(fā)生。工程實踐表明，本文提出的結(jié)構(gòu)加固設計，技術(shù)合理，效果顯著。

5 結(jié)論

抽水蓄能電站的機組起停次數(shù)遠比常規(guī)水電站頻繁，機組和建筑結(jié)構(gòu)振動問題更為突出與復雜，對于出現(xiàn)混凝土裂縫但尚未危及結(jié)構(gòu)安全的類似建筑物，為避免由于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的繼續(xù)產(chǎn)生與擴大而加劇構(gòu)件的疲勞損傷和解決結(jié)構(gòu)耐久性問題，可采用局部構(gòu)件補強的綜合性加固方案。本文提出的通過化學灌漿封閉裂縫、粘貼碳纖維布限制裂縫擴展、設置剛肋板提高結(jié)構(gòu)水平剛度及增設鋼次梁加強樓板剛度的綜合性加固處理措施，具有對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)損傷小、不影響機電設備布置、工程投資省、施工難度低和工期短等優(yōu)點。本文研究的粘貼碳纖維層數(shù)的計算方法、鋼肋板的布置及連接方法、鋼次梁與樓板的連接方式等技術(shù)，可供同類水電站廠房的加固設計借鑒。