水电站厂房上部结构计算方法研究

摘 要：本文结合某水电站整体结构特点，针对厂房上部吊车梁结构承受移动荷载，按规范规定的结构力学解析计算方法，编译主体程序，计算出控制工况下水电站厂房吊车梁和横向排架柱的内力值，并进行内力包络图的绘制。同时对厂房标准机组段进行有限元三维模拟，将桥机作用在两个特征位置，计算8种荷载组合下的厂房控制高程的位移以及最大第一主应力值。然后选出最不利工况进行相应结构分析。通过计算结果的对比，以期得到合理的结构计算方法。

关键词：水电站厂房，吊车梁，有限元计算，解析计算

中图分类号： TM622 文献标识码： A

水电站厂房是水利枢纽中主要建筑物之一，是将水能转换为电能的最终场所。作为上部空间较大，结构相对单薄，体型复杂的空间受力体系，水电站厂房必须在不同的设计状况下，满足结构强度、刚度、稳定性等要求，以保证安全运行。在水电站厂房设计尤其是上部结构（主要包括厂房上、下游排架、屋顶预应力梁或网架结构等）设计中，常用的计算方法可分为两大类，即规范推荐的解析法和有限元数值法。解析法在工程设计中应用的时间长，计算结果可靠，有大量的工程实践经验，在众多的实际工程中得到了较为充分的验证。有限元数值计算多借助于功能强大的计算机应用软件，工作效率高，计算过程中不易出错，采用整体建模、加载，各个截面相互关联的，避免了简化计算模型所产生的问题，并且结果能以图形、图像形式显示，清晰简明。综上，本文以某水电站厂房结构为例，用解析法和有限单元法分别进行水电站厂房上部结构内力计算，并对计算结果进行对比分析，给出相关评价。

1水电站厂房上部结构三维有限元计算

本文中采用的三维计算模型是以2号机组段，即一个中间标准机组段为对象建立的，左右两侧取至机组段永久分缝，从蜗壳层底部通过采用由底向上的方式建立到网架屋顶，坐标原点选在机组中心线处，规定y轴与机组中心线重合，向上为正；z轴为水平方向，顺水流方向为正；x轴为水平垂直水流方向；三轴符合右手螺旋定则。对于边界约束条件取基础的下表面全约束，由于机组段之间考虑分缝定为自由面。

图1 厂房结构整体模型

按照《水电站厂房设计规范》规定，水电站厂房上部排架结构应满足承载力极限状态（强度）和正常使用极限状态（刚度）的设计要求，为此共确定包括施工期在内的8个工况，进行相应作用效应组合计算，在数值模拟时移动荷载常用施加于吊车梁不同位置的静荷载模拟，本文选择桥机运行位于机组中间位置和位于机组段一侧作为最不利状况进行后续的内力及配筋计算。得到结构内力和位移的结果最大值如下。

表1有限元计算结果

最大值 小车位置

吊车梁一端 吊车梁中间

X Y Z X Y Z

位移

mm 正 0.612 * 8.321 0.422 * 5.672

负 -0.528 -5.106 -9.096 -0.465 -5.748 -5.532

吊车梁第一主应力Mpa 12.16 13.53

排架柱第一主应力Mpa -1.580 -1.569

表1中可以看出，吊车梁的第一主应力最大值，远超过C25混凝土的抗压强度1.3Mpa，经分析发现该值仅出现于一个结点处，其周围应力值衰减非常快，主要是由于模拟时网格划分跨中部分出现剪应力互锁，有限元小变形无法满足平截面假定造成因此对于吊车梁的配筋，一般情况下不能完全依照有限元结果进行计算，而在各计算工况下，模型的排架柱第一主应力值均小于C25混凝土的抗压强度12.5Mpa，符合规范规定的强度要求。

2水电站厂房上部结构解析计算

2.1水电站厂房吊车梁解析计算

本论文采用三跨连续梁结构作为解析计算的基本模型，本论文采用钢筋混凝土T形梁，梁截面尺寸如图。由于连续梁相邻跨度相差约0.9%，不超过规定的10%，因此，可简化为长度均为9m的等跨梁计算。

图2吊车梁截面尺寸图3吊车梁控制截面位置

根据结构力学影响线理论，当小车沿全梁移动，对吊车梁同一截面，会产生多个内力值，从中选出各个截面的最值（包括最大值和最小值），将该值按同一比例绘制在梁的对应截面位置，顺次连线，即得动荷载作用下内力包络图。本文将垂直轮压和横向水平刹车力这两种集中动荷载转化为均布荷载加在结构上，编译C语言进行，通过输入吊车梁计算跨度、单个轮子上的作用荷载、吊车最大宽度、单侧轮子个数等基本数据，即可得各截面内力最值，叠加自重等其他常规力计算总内力值，然后连接AutoCAD绘制包络线图。

表2 控制截面内力值

1 2 3 4

Q(kN) 2182.19 226.25 3177.11 987.50

M(kNm) 0 4083.75 -3791.25 3320.55

2.2水电站厂房上下游排架解析计算

铰接排架假设柱顶的屋架为一刚杆，当排架产生水平位移时，则上、下游柱顶位移相同，这种排架采用剪力分配法计算内力较为简便。当结构受力型式（弯矩、集中力、均布力）、荷载作用位置不同时，排架反力系数由不同的解析公式求得，并将各种荷载作用叠加，由于排架柱排架柱作为梁的支承结构，也承受相应的移动荷载作用，且其所受的吊车竖向荷载与吊车梁的支座反力等大反向，因此可以通过吊车梁剪力计算结果确定，即当桥机位于吊车梁一端时，边支座截面和跨中支座左截面处剪力达到最大值；当桥机位于吊车梁正中时，跨中支座右截面处剪力达到最大值。且桥机在移动时作用于上下游吊车梁的位置相同，保证上下游剪力同时达到最大值。根据以上理论编译程序实现柱顶剪力的求解。

表3 排架柱内力

计算参数 下柱 上柱

边跨 中间跨 边跨 中间

M（kNm) 1584.69 2405.34 447.31 973.56

N（kN) 2948.69 4696.79 346.50 693.00

2.3解析计算方法总结

对于吊车梁，剪力以使截面有顺时针转动的趋势为正，弯矩以使吊车梁下部受拉为正，与结构力学方向定义相同。由于该吊车梁是对称结构，受到对称力作用时，剪力图、剪力包络图为反对称，弯矩图、弯矩包络图为正对称。结构承受竖向荷载时，吊车梁自重对结构剪力和弯矩包络图上的整体形状和相应内力数值影响不大。因此，竖向移动的吊车荷载是在进行该结构配筋等计算时首要考虑的。弯矩包络图，中间支座处有尖点，主要是下部柱顶简化为一个点使该支座处有应力集中造成。包络图即各截面可能出现的正向和负向的最大值，可以直接用于配筋和斜截面钢筋弯起和截断位置的选择。

对于排架柱，上下游柱剪力突变由于受到水平制动力作用形成。弯矩突变的位置均是由于通过吊车梁传递到下部大柱顶部的吊车轮压动荷载产生的支座反力、通过上柱传递到下部大柱顶部的小柱自重和屋面荷载，对大柱轴心线有偏心距而造成。

3结论

本文结合某水电站厂房上部结构的布置特点，通过规范推荐的解析计算方法和三维有限元数值方法对结构进行分析，最后应用解析计算和有限元计算所得的内力结果可得出，结构力学影响线法，是计算吊车荷载即动荷载的有效方法，较为全面的考虑了桥机位置不同，对结构整体受力状况带来的影响。但由于计算模型的简化，使解析解过于保守。有限单元法，充分考虑了结构整体的强度、刚度、稳定性。但计算时，有限单元法直接按照静荷载加载，并没有考虑移动荷载影响线的作用，因此，尽管利用解析法和有限单元法计算得到的排架柱内力值，通过规范规定的相同方法进行配筋计算，均得到采用最小配筋率控制配筋量的相同结论。综上，由于有限单元法和规范规定的解析计算方法各有利弊，在工程实际中，尤其对于水电站厂房上部结构计算，应该结合两种方法，综合施工等因素考虑，选择安全经济的结构类型和配筋方案。

参考文献

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