白鶴灘水電站大跨度地下廠房吊頂拱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析*

趙修龍 方 丹 李良權(quán)

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

白鶴灘水電站為金沙江下游四大梯級(jí)電站的第二級(jí)，位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)交界的河段[7,8]，白鶴灘水電站發(fā)電廠房位于左、右岸地下山體中，各布置8臺(tái)單機(jī)容量1 000 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量位居世界第一，電站總裝機(jī)容量為16 000 MW，是目前世界上在建規(guī)模最大的水電站[9,10]。白鶴灘水電站主廠房吊頂結(jié)構(gòu)沿廠房縱軸線方向總長(zhǎng)為406 m，跨度為34 m，是目前世界上已建及在建跨度最大地下廠房吊頂結(jié)構(gòu)，其中拱梁內(nèi)半徑為27.225 m，頂高程為619.39 m，上下游邊墻拱梁底高程為613.20 m。其吊頂結(jié)構(gòu)采用外包鋼現(xiàn)澆混凝土疊合板梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由吊頂支撐系統(tǒng)[11,12]、外包鋼—混凝土拱梁、閉口壓型鋼板和混凝土肋板組成，吊頂結(jié)構(gòu)如圖1所示。吊頂沿廠房縱軸線方向共布置118榀外包鋼—混凝土拱梁，拱梁中心間距為3.75 m。拱梁支撐在上下游兩側(cè)吊頂支撐柱上，并與吊頂錨桿連接，拱梁之間鋪設(shè)閉口壓型鋼板作為模板，其上澆筑混凝土肋板作為吊頂?shù)装錥13]。

2 吊頂拱梁結(jié)構(gòu)組成

吊頂拱梁采用外包鋼—混凝土結(jié)構(gòu)，拱梁斷面為矩形，設(shè)計(jì)尺寸為500 mm×650 mm，弧長(zhǎng)為34.95 m，矢高約為5.4 m。拱梁由4榀通長(zhǎng)等邊角鋼、限位箍筋、斜拉腹桿、內(nèi)部對(duì)角加強(qiáng)角鋼等組成的空腹式鋼結(jié)構(gòu)骨架，外包軋制薄鋼板，內(nèi)部填充混凝土，形成拱梁完整結(jié)構(gòu)(見圖2)，梁端與上下游支撐柱頂預(yù)埋鋼構(gòu)件連接形成雙鉸拱結(jié)構(gòu)，梁上部與吊頂錨桿通過吊頂拉桿連接。鋼結(jié)構(gòu)骨架中的4榀通長(zhǎng)等邊角鋼型號(hào)選取∠125×12，限位箍筋為三級(jí)鋼筋C12，間距為150 mm，斜拉腹桿采用三級(jí)鋼筋C20，內(nèi)部對(duì)角加強(qiáng)角鋼型號(hào)選取∠75×8，間距為1.5 m。外包軋制薄鋼板由包圍拱梁兩側(cè)及底部的三塊薄鋼板焊接而成，沿通長(zhǎng)等邊角鋼長(zhǎng)度方向通長(zhǎng)布置，鋼板厚度為4 mm。拱梁內(nèi)部填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，混凝土內(nèi)無需配筋。

3 吊頂拱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 材料參數(shù)

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，彈性模量Ec=3.0×104MPa，抗壓強(qiáng)度fc=14.3 MPa，抗拉強(qiáng)度ft=1.43 MPa。

鋼筋選用HRB400，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=360 N/mm2。

鋼材為Q235鋼，彈性模量E=2.0×105N/mm2，密度ρ=78.5 kN/m3，抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度f=215 N/mm2，抗剪強(qiáng)度fv=125 N/mm2。

角鋼型號(hào)為4根∠125×12，單根角鋼截面面積為28.91 cm2，總截面面積為115.64 cm2，單根角鋼的截面慣性矩423.16 cm4，組合結(jié)構(gòu)的截面慣性矩I=96 745 cm4,骨架梁的抗拉剛度EA=2.313×106kN，骨架梁的抗彎剛度EI=1.935×105kNm2。

吊頂錨桿直徑為C32，截面面積為804.2 mm2，抗拉剛度為EA=1.608×105kN，抗彎剛度EI=10.3 kNm2。

3.2 工況說明

吊頂拱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算分為以下三種工況進(jìn)行：

工況一：施工期考慮吊頂錨桿作用工況，該工況由鋼拱梁和吊頂錨桿聯(lián)合受力，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重及混凝土澆筑施工階段所有荷載；

工況二：施工期不考慮吊頂錨桿作用工況，該工況由鋼拱梁獨(dú)自承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重及混凝土澆筑施工階段所有荷載，將吊頂錨桿作為鋼拱梁承載力的裕度儲(chǔ)備；

工況三：運(yùn)行期不考慮吊頂錨桿作用工況，該工況由拱梁中的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)自重及吊頂上風(fēng)管等設(shè)備及運(yùn)行期活荷載等所有荷載，此時(shí)不考慮吊頂錨桿的作用。

各工況荷載組合及設(shè)計(jì)值見表1。

表1 吊頂拱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合及設(shè)計(jì)值 kN/m

3.3 計(jì)算模型

拱梁兩端均支撐在吊頂支撐柱頂端，拱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)將吊頂支撐柱考慮為鉸支座約束，工況一將吊頂錨桿簡(jiǎn)化為鉸接桿件，工況二、三不考慮吊頂錨桿作用，將吊頂拱梁離散成若干節(jié)，每節(jié)均按直線梁計(jì)算，相鄰梁間剛接，計(jì)算模型見圖3,圖4。

3.4 計(jì)算結(jié)果

將相關(guān)參數(shù)及荷載值代入模型進(jìn)行計(jì)算，工況一計(jì)算結(jié)果見圖5～圖7，工況二計(jì)算結(jié)果見圖8～圖10，工況三計(jì)算結(jié)果見圖11～圖13，各工況下拱梁關(guān)鍵部位計(jì)算結(jié)果見表2。

3.5 結(jié)果分析

由圖5～圖7及表2可知施工期考慮吊頂錨桿作用工況下梁整體向下變形，梁軸力均為壓力，吊頂錨桿均為拉力。拱梁鋼結(jié)構(gòu)最大軸力為256.72 kN，最大彎矩為41.28 kNm，最大位移為3.12 mm，經(jīng)計(jì)算，拱梁鋼結(jié)構(gòu)承受壓應(yīng)力為41.29 N/mm2，小于鋼材抗壓強(qiáng)度215 N/mm2，滿足要求。吊頂拉桿的軸力最大值為79.2 kN，經(jīng)計(jì)算，吊頂拉桿拉應(yīng)力為108 N/mm2，小于鋼筋抗拉強(qiáng)度360 N/mm2。

表2 各工況下拱梁關(guān)鍵部位計(jì)算結(jié)果

工況部位軸力/kN彎矩/kNm位移/mm工況一左端點(diǎn)-256.7200左拱腰-232.7441.28-3.12拱頂-196.04-28.57-2.55工況二左端點(diǎn)-797.9800左拱腰-744.52-66.67-1.57拱頂-660.5677.63-19.23工況三左端點(diǎn)-1 404.4900左拱腰-1 310.84-125.72-2.12拱頂-1 163.90116.72-11.51

由圖8～圖10及表2可知施工期不考慮吊頂錨桿作用工況下梁整體向下變形，梁軸力均為壓力。拱梁鋼結(jié)構(gòu)最大軸力為797.98 kN，最大彎矩為77.63 kNm，最大位移為19.23 mm，經(jīng)計(jì)算，拱梁鋼結(jié)構(gòu)承受壓應(yīng)力為113.3 N/mm2，小于鋼材抗壓強(qiáng)度215 N/mm2，滿足要求。

由圖11～圖13及表2可知運(yùn)行期不考慮吊頂錨桿作用工況下梁整體向下變形，梁軸力均為壓力。拱梁鋼—混凝土結(jié)構(gòu)最大軸力為1 404.49 kN，最大彎矩125.72 kNm，最大位移11.51 mm，經(jīng)計(jì)算，拱梁鋼—混凝土結(jié)構(gòu)能承受的最大壓力為1 867.75 kN，故滿足要求。拱梁鋼—混凝土結(jié)構(gòu)撓度限值為31.45 mm，故拱梁位移在允許范圍內(nèi)，滿足要求。

4 結(jié)語

本文對(duì)白鶴灘水電站大跨度地下廠房吊頂拱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明：該吊頂拱梁結(jié)構(gòu)在施工期考慮吊頂錨桿作用工況下拱梁鋼結(jié)構(gòu)承載力滿足要求，吊頂拉桿承載力滿足要求，在施工期不考慮吊頂錨桿作用工況下拱梁鋼結(jié)構(gòu)受力明顯增大，但承載力仍滿足要求，在運(yùn)行期不考慮吊頂錨桿作用工況下拱梁鋼—混凝土結(jié)構(gòu)承載力滿足要求，撓度滿足要求。該結(jié)構(gòu)除了具有鋼結(jié)構(gòu)本身所具有的制作簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)外，經(jīng)過計(jì)算分析可知該結(jié)構(gòu)還具有承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，無論是施工期還是運(yùn)行期均能滿足承載力要求，并且有較大的安全裕度，可靠性高。因而可供同類型地下廠房吊頂拱梁結(jié)構(gòu)參考。