水电站厂房屋面结构设计分析研究

【摘要】水电站的厂房是水电站的主要建筑物之一，厂房中安装有发电机、水轮机等发电设备和各种辅助设备，是一个实现水能转换为电能的综合工程设施。以烟岗水电站工程为实例，介绍了钢网结构在厂房中的应用。有效地解决了屋面建筑冬季施工困难问题，且结构造型美观、灵活、设计简单，施工方便，旨在为以后的水利水电工程厂房屋面结构设计的同行提供参考。

【关键词】水电站；厂房屋面结构；混凝土结构；钢网结构

水电站厂房钢网结构作为一种空间结构，它由许多杆件沿曲面或平面按一定要求组成的空间网状结构。早在上世纪40 年代就由德国首次成功运用于工业建筑上，此后在世界各地得到广泛发展，到目前已形成了很多定型体系，如单杆体系、米罗（MERO）体系、菱形桁架体系（Diamond truss）、空间板体系（Space Deck）、以及诺得斯（NODUS）体系等。直到上个世纪90年代以前，这种结构主要应用于大跨度的展览厅、车站候车大厅以及游泳馆等公共建筑。

1、工程概况

烟岗水电站工程位于四川省凉山州木里县境内，是雅砻江中游右岸一级支流――鸭嘴河水电梯级的第二级水电站。首部枢纽工程位于烟岗峡谷进口处，距木里县公路里程76km，距西昌市公路里程330km，其上游约8km处为该河段水电梯级的第一级水电站―布西水电站。烟岗水电站厂房位于鸭嘴河河口上游的雅砻江的右岸山坡2515m高程处，其尾水接第三级水电站―跑马坪水电站的前池，烟岗厂房距首部枢纽公路里程12km。本工程开发任务为发电，兼顾环境生态用水。

工程由首部枢纽、引水发电洞、压力埋管、电站厂房及尾水渠等主要建筑物组成。总工期36个月。工程静态总投资82311.61万元，总投资91721.61万元。

烟岗水电站采用引水式开发，装机容量120MW，多年平均发电量5.32亿kW.h。

电站主厂房全长54.76m，宽21m，最大高度20.4m。厂房与开关站结合地形条件布置，左侧为安装间，与主机间同宽；主厂房内2台发电机组呈一字形排列。电站于2012年10月正式并网发电。

2、主厂房屋顶设计方案比选

2.1钢网架结构方案

钢网架结构的特点是，施工速度快，安装、维修容易，安全系数高，且可以解决机电安装急需保温的困难。钢网结构比较固定，一般由三部分组成：厂顶网架、网架支撑以及屋面。在材料选择上，屋面采用彩钢夹芯板，檩条采用冷弯溥壁型钢。

2.2钢筋混凝土方案

钢筋混凝土结构在工业与民用建筑中得到了广泛的应用，其主要优点是作为承重构件，其承载力大，施工技术成熟，抗震和防火等方面的性能优越。采用钢筋混凝士框架结构，稳定性可以得到很好的保证。钢筋混凝土梁板结构经历了两个阶段，传统的做法是薄腹梁或混凝土屋架加大型槽型板，后来随着预应力技术的成熟，一些技术公司开发出雁型板项目。值得强调的是屋面板要有保温层、防水以及保护等功能。

2.3房屋方案的比选

为了选出更为合理的方案，应对两种方案的优缺点进行比较。笔者根据工程 的实际情况，主要对以下几个方面做了比较：

施工工期：钢网结构施工工期短，且不受天气的影响，即使是在寒冷的冬季，混凝土无法施工的情况下，钢网仍可进行。且预制构件的施工周期长，养护周期长。

施工人员费用：钢网结构主要的构件厂家已经事先设计好了，电站只需要安装即可，施工时间大大缩短，因此，施工人员费用也比混凝土结构便宜。

工程造价：施工以及装修等工作完成以后，按实际的覆盖厂房面积，经过计算知钢网结构每平米综合造价比混凝土结构节省投资30-40%。

构件制作：钢网结构所需的钢管、螺栓、锥头、板材以及檩条等构件均由设计厂家按要求制作，只需将构件运到现场安装即可完成；混凝土结构方案需要浇注梁以及面板，为了保证预制施工质量，需要事先平整夯实及硬化预制场地[2]，特别是在场地受限的水电站工程中，场地条件有时无法保证。

影响因素：钢网架结构施工非常简便，吊装安全并且工作量小，混凝土用量也很少，质量控制比较容易。混凝土结构材料较多，施工受外界条件影响大，尤其冬季施工，加大了施工难度，混凝土质量因而不能很好的保障，准备工作量也非常大。

综合以上几个重要因素的考虑，钢网结构优势非常明显，同时为避免梁板吊装对机电安装造成较大的干扰，确保机组可以按期投产发电，设计最终采用空间钢网架结构方案。

3、钢网结构设计

3.1 结构形式

钢网结构采用正放四角锥网架。支撑形式：下弦支承。节点类型：螺栓球节点网架。平面尺寸大小为38.42m×17m，投影面积共计653.14m2。

3.2 设计依据

荷载标准值：上弦恒载为0.30kN/ m2，上弦活载为0.50k N/ m2，下弦恒载为0.1kN/ m2，基本风压为0.35kN kN/ m2，抗雪压载荷为0.50k N/ m2。设防抗震烈度为6度，场地属于Ⅱ类建筑场地。

3.3 材料选择

选用Q235B钢制作的钢管，采用高频焊接钢管的焊接方式。螺栓螺钉选用40Cr钢，材质应符合《合金结构钢技术条件》GB3077要求，高强螺栓应满足《钢结构用高强度大六角头螺栓》GB1288的规定，其性能等级为10.90s。选用45号钢制作的螺栓球，材质应符合《优质碳素结构钢钢号及一般技术条件》GB699的规定。选用Q235B钢制作的封板锥头，钢管直径超过76时必须采用锥头，连接焊缝海外锥头的任意截面与连接的钢管强度要等同，厚度应保证变形以及强度的要求。选用Q235钢制作的套筒，杆件与截面等同。选用E43焊条对Q235钢与Q235钢进行焊接，选用E50焊条对Q235钢与45号钢进行焊接。采用75mm厚彩钢夹芯板作为屋面板材，采用冷弯薄壁型钢制作檩条。

3.4 加工技术要求

网架杆件需要对氧化皮以及锈蚀等污物进行清除后才可加工。网架的构件（包括杆件、螺栓球、、支座高强螺栓等）需要在专业的厂家定制，并且还得有检验合格证明，对于球以及螺栓的加工，则由厂家按机械行业标准选购或自行加工，但要满足受力和材质要求。焊缝需满足规定标准，构件焊接要达到同等强度，。

3.5 安装以及涂装技术

要求支承面预埋钢板必须保持水平，安装位置准确。，相邻支座高差不超过5mm，最高与最低高差不超过10mm，位移量不超过5mm。对所有构件须都需要作防锈处理，出厂前以及安装后都要涂灰色防锈漆。为了保证使用年限，涂装前需要进行除锈，除锈参考《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等极》GB8923中的Sa2等级，不能低于这个除锈等级。涂装时的环境湿度以及温度，除其产品的特殊要求外，相对湿度不应超过85%，温度应在5D38℃之间。不应在涂装构件的表面出现结露，涂装后4小时内应避免雨淋。荷载必须作用在节点（螺栓球）上，严禁在杆件上悬挂重物，杆件不承受横向荷载。

4、结束语

网架结构的组成比较规则，施工起来方便，厂房屋面结构采用钢网架比采用钢筋混凝土梁、板结构费用小，建设工期短，质量更易于控制，并且对周围环境影响小。因此，在水电站工程中应大力推广应用。

参考文献

[1]刘少红.水电站工程主厂房排架结构设计[J].科技资讯，2009（12）

[2]刘益民.宝鸡峡林家村水电站主厂房排架柱加固设计与施工[J].陕西水利，2009（6）

[3]覃丽钠，李明卫.矩形钢管混凝土柱在水电站厂房中的应用[J].贵州水力发电，2011（6）