中型水电站厂房构架柱顶位移计算的探讨

摘要：随着近年来我国经济快速发展，人们对于电源需求日益增大，水电站作为我国主要的能源供给的重要途径，对其进行厂房设计研究非常必要。基于此，本文针对中型水电厂厂房的房屋架构设计中顶位计算方法以及计算排架柱顶侧向位移计算进行研究，为厂房选取合理尺寸设计提供参考，从而为中型水电厂的厂房设计提供必要计算研究办法。

关键词：中型水电站；厂房架构柱顶，位移计算

水电站厂房建设作为发电站基础建设的一部分，在建设过程中必须经过合理设计，规划出合理的建设方案。在控制成本上尽量做好节约成本，在技术施工上尽量做到安全保障，在建设目标上尽量做到适合长远发展。水电站厂房的上部结构在设计与建设的时候不仅应该满足相应的强度要求，同时还应满足相应的刚度要求。厂房设计架构柱顶的时候，应该考虑到极限状态下吊车的轨顶侧移不能够超出正常的允许值，而短期的组合柱不能够超出吊车的规范允许值。通过控制中型水电厂的厂房架构侧向位移成为了厂房的架构合理截面尺寸选取的重要依据。

1 水电厂厂房的基本结构组成介绍

水电厂的厂房结构主要分为了上下两个部分，其中上部结构主要包含了屋面系统、围护结构、架构、吊车梁以及楼板等。厂房结构中基本组成为钢筋混凝土结构，上部结构在设计的时候与一般的建筑施工设计一致。而厂房的下部结构则主要由蜗壳、机墩、基础板、尾水管以及外墙等组成，其整体结构相对较复杂，建筑施工的时候必须要符合《水工钢筋混凝土规范》标准[1]。

水电厂厂房的房盖结构主要起到了承重、围护等两重作用，而屋面板则主要是承载负荷，例如承载雨水、风以及雪等重量，并且将这些重量传递给大梁。另外屋面大梁和屋架其承载屋盖上的全部载荷，并将载荷传递给壁柱或者排架柱上。排架柱以及壁柱会承载着吊车梁、屋面大梁、外墙载荷以及排架柱或者壁柱的自重，并且将其传递给厂房的下部结构的混凝土上[2]。

2 水电厂厂房架柱顶计算模型

由于水电厂的厂房在布置结构以及吊车的时候，其构架必须为顺水流向形成单跨排架结构，垂直流水方向则必须形成多跨框架结构，总之厂房上下游受基础约束的条件有所不同，使得架构的上下游柱脚固定在不同的高度，以顺应水流向不同的高单跨排架结构[3]。

水电站厂房施工中选取柱顶模型的时候需要考虑到施工的具体情况，然后根据柱顶构架的浇筑与未浇筑承担载荷情况进行不同计算模型选取，那么选取模型的时候必须注意下面几个重要影响因素。选取计算模型的时候，第一个需要注意的是柱与屋盖之间的连接问题，根据构架和屋盖的刚度比可分为连接或者铰接的刚性关系。现代的水电站厂房设计主要要求施工迅速，减小受地震影响为基本原则，那么在施工的时候基本上选用轻型的屋盖。此时屋盖仅仅承载了竖直方向的载荷，同时承载着水平的架构载荷，那么选取计算结构模型的时候选取铰接结构较佳。

第二点则是选取基础与柱的连接法问题。从计算墙柱的刚度比来看，计算出的刚度比往往在12～15之间，那么此时可以将柱固定在水下墙位置，上游的柱会因为压力关系减小了水下墙的刚度，柱脚则固定于蜗壳层，但是如果在尾管设置有中墩则柱脚应固定在发电机层。

第三个重要影响因素主要是柱和楼板之间的连接，主机间与发电机层的楼板主要为后期浇砼，其刚度小仅仅用于铰支撑，因此在选取计算模型的时候，往往会忽略掉后期浇筑砼计算。最后计算的单元需要考虑到横向平面排架中相邻柱距中线应划出一个相当典型的计算单元，从而满足计算模型的选取要求。

3 水电站厂房构架柱顶位移计算

水电厂设计构架柱顶位移计算的时候，首先要根据不同的工况选取计算的方法，然后在正常使用状态下完成各项工作效应的组合。对于位移的求解方法可以从力法与剪力分配方法着手进行分析和研究：构架柱顶部位移相等情况下，柱顶主要由刚性杆连接；构架柱顶部的剪力若相等且方向相反，那么柱顶也由刚性杆连接[4]。

3.1 力法计算

力法计算案例：如图1为水电厂厂房排架构计算简图所示，其中H1=3.3m，H2=10.8m，厂房跨度l=18m，下柱惯性矩I1=5876O，上柱惯性矩I2=2130O，经计算风载荷q1=1.68kN/m，q2=1.05kN/m，W=5.66kN，混凝土的等级为C30，弹性模量E=30000N/mm。

3.2 剪力分配法计算

铰接排架柱在进行计算时，若排架产生水平位移，那么上下的游柱之间的位移相同。假如单位水平力作用下单阶悬臂柱顶的时候，柱顶的水平位移可以从结构力学的方法进行求得，假设值为θ。然后根据虎克定律计算出，若使得柱顶产生水平方向上的位移，那么在柱顶应该施加一个1/θ的水平力。则1/θ表示柱顶的抵抗侧位移的能力，属于抗剪力刚度。单跨排架构为两根柱，每根柱的抗剪力刚度分别为1/θ1、1/θ2。若在柱顶施加一个R作用力，那么在每个柱顶将会分别受到一个剪力平衡作用力，则每个柱顶满足相应的剪力分配条件，η1、η2分别表示剪力分配的系数。利用剪力分配系数来对任意载荷作用下完成计算，首先对于排架柱顶附加一个阻力，阻止其发生水平侧移，可求得支座反力为RA以及RC。然后撤出附加的不动铰支座且作用力反向的R在排架柱顶，等到施加作用力恢复之后，两个柱顶分别分配到的剪力为-η1（RA-RC）、η2（RA-RC）。柱顶施加一个不动铰的时候，柱顶若没有发生位移，那么位移将会撤除所产生的发作用力，即两个柱顶的位移分别为LAB和LCD，则LAB=-η1（RA+RC）xδ1。LCD=-η2（RA+RC）xδ2。

3.3 单阶排架柱顶位移计算

1= （w1+w2）xtga；经换算得出1= （w1x1tgα+w2x2tga）。随着惯性矩的引入m，则可以得出2= w1x1tga。式子之中，w1和w2表示上下柱的载荷作用下的矩形图面积，x1和x2表示上下柱载荷下的弯矩图形心与柱顶距离。X=w1+w2表示图形心到柱顶的距离。一阶排架柱在任意的载荷作用之下，柱顶线位移和原排架下柱惯性矩、作用载荷、柱高度均相同的截面柱顶位移为1，同原排架上柱呈倍数关系的作用载荷、柱高度的顶线位移2之和作为顶柱的等效位移。

4结语

对于电能需求的日益增大，加强水电站厂房建设将变得非常重要。针对厂房顶柱位移计算可以为厂房建设选型提供重要数据依据，因此本文就针对水电站厂房设计相关问题进行分析，并且提出了三个厂房顶柱位移计算方案，为日常相关研究提供借鉴与参考。

参考文献：

[1]王晓洁，刘未，马震岳. 水电站主厂房钢―混凝土组合框架结构的可行性研究[J]. 水电能源科学，2013，04：28-30.

[2]殷策. 碗米坡水电站厂房的优化设计[J]. 水电站设计，2011，03：25-28.

[3]王晓强，贾丽丽. 水电站厂房设计中振动问题研究[J]. 水利科技与经济，2009，11：1023-1024.

[4]张运良. 大型水电站蜗壳及厂房结构动力分析问题探讨[J]. 水利水电科技进展，2010，06：20-25.

[5]黄炳照，余群，顾建荣. 中小型水电站厂房布置设计方法的探讨[J]. 水利水电科技进展，2010，01：51-54.

作者简介：刘良，（1982.09-）男，汉族，广西桂林市人，本科，中级工程师，研究方向：建筑结构