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1、第十三章 水电站厂房结构设计,水电站厂房结构设计的内容包括：主厂房的结构布置设计；整体稳定分析、地基应力校核；构件的强度和稳定计算。,第一节 主厂房的结构布置设计,水电站厂房的结构组成,一、水电站厂房的结构组成及作用,(一)上部结构 1、屋顶(1)屋面板：隔热、遮阳、避风雨；预制钢筋混凝土大型屋面板+隔热层+防水层+保护层(2)屋架或屋面大梁。2、排架柱 承受屋架或屋面大梁、吊车梁、外墙传来的荷载和排架柱自重，并将它们传给厂房下部结构的大体积混凝土。3、吊车梁 承受吊车荷载（包括起吊部件在厂房内部运行时的移动集中垂直荷载），以及吊车在起重部件时，启动或制动时产生的纵、横向水平荷载，并将它们传给
2、排架柱。,一、水电站厂房的结构组成及作用,4、发电机层和安装间楼板 发电机层楼板承受着自重、机电设备静荷载和人的活荷载，传给梁并部分传发电机机座和水轮机层的排架柱。安装间楼板承受自重、检修或安装时机组荷载和活荷载，传到基础。5、围护结构(1)外墙。承受风荷载，并将它传给排架柱或壁柱。(2)抗风柱。承受厂房两端山墙传来的风荷载，并将它传给屋面大梁和基础或厂房下部大体积混凝土块体。(3)圈梁和连系梁。承受梁上砖墙传下的荷载和自重，并传给排架柱或壁柱。,一、水电站厂房的结构组成及作用,(二)下部结构 1、发电机机墩 承受从发电机层楼板传来的荷载和水轮发电机组等设备重量、水轮机轴向水压力和机墩自重，并
3、将它们传给座环和蜗壳外围混凝土。2、蜗壳和水轮机座环（固定导叶）将机墩传下来的荷载通过座环传到尾水管上，另外水轮机层的设备重量和活荷载通过蜗壳顶板也传到尾水管。3、尾水管 承受水轮机座环和蜗壳顶板传来的荷载，经尾水管框架（尾水管顶板、闸墩、边墩和底板构成的）结构再传到基础上。,二、厂房的受力和传力系统,(一)厂房主要荷载(1)厂房结构自重，压力水管、蜗壳及尾水管内水重；(2)厂房内机电设备自重，机组运转时的动荷载；(3)静水压力：尾水压力，基底扬压力，压力水管、蜗壳及尾水管内的水压力，永久缝内的水压力，河床式厂房的上游水压力；(4)厂房四周的土压力；(5)活荷载：吊车运输荷载，人群荷载及运输工
4、具荷载；(6)温度荷载；(7)风荷载；(8)雪荷载；(9)严寒地区的冰压力；(10)地震力。,(二)厂房的传力系统,三、厂房混凝土浇筑的分期和分块,1.厂房混凝土浇筑的分期分期目的：由于机组到货一般均迟于土建的施工期，为了适应水轮发电机组的安装要求，厂房中的混凝土需要分期浇筑，称为一期和二期混凝土。一期混凝土：底板、尾水管、尾水闸墩、尾水平台、混凝土蜗壳外的混凝土、上下游边墙、厂房构架、吊车梁、部分楼板等，在施工时先期浇筑，以便利用吊车进行机组安装。二期混凝土：为了机组安装和埋件需要而预留的，要等到机组和有关设备到货后、尾水管圆锥钢板内衬和金属蜗壳安装完毕后，再进行浇筑。二期混凝土包括金属蜗壳
5、外的部分混凝土、尾水管直锥段外包混凝土、机座、发电机风罩外壁、部分楼层的楼板。,2混凝土浇筑分层、分块,水电站厂房水下部分的混凝土属于大体积块体混凝土。其特点是现场浇筑量大，结构几何形状复杂，基础高差大，对裂缝要求严格。由于受混凝土浇筑能力的限制和为了适应厂房形状的变化，因此每期混凝土要分层分块浇筑。混凝土浇筑分层、分块是为了便于施工和保证工程质量。,厂房混凝土分期分块,四、厂房结构的分缝和止水,1分缝(1)沉降伸缩缝为防止厂房地基不均匀沉陷，减小下部结构受基础约束产生的温度和干缩应力，沿厂房长度方向设置的伸缩缝和沉降缝(永久缝)。特点：一般都是贯通至地基，只在地基相当好时，伸缩缝才仅设在水上
6、部分，但也需每隔数道伸缩缝设一道贯通地基的沉降伸缩缝。,主副厂房、安装间、尾水平台间的分缝,(2）施工缝根据施工条件设置的混凝土浇筑缝(临时缝)。岩基上大型厂房通常一台机组段设一永久缝，中小型水电站可增至23台机组设一条永久缝。在安装间与主机房之间、主副厂房高低跨分界处，由于荷载悬殊，需设沉降缝。坝后式厂房的厂坝之间常沿整个厂房的上游外侧设一条贯通地基的纵缝。永久缝的宽度一般为12cm，软基上可宽一些，但不超过6cm,2止水厂房水上部分的永久缝中常填充一定弹性的防渗、防水材料，以防止在施工或运行中被泥沙或杂物填死和风雨对厂房内部的侵袭。厂房水下部的永久缝应设置止水，以防止沿缝隙的渗漏，重要部位
7、设两道止水，中间设沥青井。止水布置主要取决于厂房类型、结构特点、地基特性等，应采用可靠、耐久而经济的止水型式。,第二节 厂房整体稳定及地基应力,计算内容:沿地基面的抗滑稳定、抗浮稳定、厂基面垂直正应力 注：河床式厂房本身是挡水建筑物，厂房地基内部存在软弱层面时，还应进行深层抗滑稳定计算。计算要求：(1)厂房在运行、施工和检修期间，在抗滑、抗倾与抗浮方面必须有足够的安全系数，以保证厂房的整体稳定(2)厂房地基应力必须满足承载能力的要求，不允许发生有害的不均匀沉陷。,计算注意事项：,(1)河床式厂房直接承受上游水压力，在确定地下轮廓线、校核整体稳定性和地基应力时，以两个永久缝之间或一个机组段长度为
8、计算单元，进行稳定分析和地基应力计算时，不能取单宽进行计算。(2)厂房有大量的二期混凝土，并可能有分期安装问题，故在机组安装前后荷载变化较大，确定荷载与荷载组合时也有其特点。,一、荷载及其组合,(一)荷载 1基本荷载：（1）厂房结构及永久设备自重；（2）回填土石重；（3）正常蓄水位或设计洪水位情况下的静水压力；（4）相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的扬压力；（5）相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的浪压力；（6）淤沙压力；土压力；冰压力；（7）其它出现机会较多的荷载。,(一)荷载,2特殊荷载：（1）校核洪水位或检修水位情况下的静水压力；（2）相应于校核洪水位或检修水位情况下的扬压力；（3）相
9、应于校核洪水位或检修水位情况下的浪压力；（4）地震力；（5）其它出现机会较少的荷载。注：作用在厂房上的静水压力应根据厂房在不同的运行工况下的上、下游水位确定。,表13-1 厂房整体稳定分析的荷载组合,(二)荷载组合,注：表中a适用于河床厂房，b适用于坝后和引水厂房。1正常运行 河床厂房：a1组合情况下厂房承受的水头最大；a2组合情况下扬压力最大，对稳定不利。坝后式厂房和引水式厂房：引起稳定问题的水平荷载为下游水压力，因此正常运行情况中取下游设计洪水位进行组合。2机组检修 河床式厂房机组检修情况下机组设备重不考虑，厂房承受的水头大，而厂房的重量轻，只有结构自重和水重，对稳定不利。,(二)荷载组合
10、,3机组未安装 机组安装周期较长，如机组是分期安装，厂房的施工安装或更长，所以要进行机组未安装时的稳定计算。二期混凝土和设备重不计，厂房重量最轻，而厂房已经承受水压，对抗滑和抗浮不利。4厂房基础设有排水孔时，特殊组合中还要考虑排水失效的情况。,二、计算方法和要求,厂房整体稳定和地基应力计算应以中间机组段、边机组段和安装间段作为一个独立的整体，按荷载组合分别进行。边机组段和安装间段，除上下游水压力作用外，还可能受侧向水压力的作用，所以必须核算双向水压力作用下的整体稳定性和地基应力。,河床厂房稳定分析受力图,(一)抗滑稳定计算,厂房抗滑稳定性可按抗剪断强度公式或抗剪强度公式计算 1抗剪断强度计算公
11、式 式中K 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f，C 滑动面的抗剪断摩擦系数及抗剪断粘结力，kPa；A 基础面受压部分的计算面积，m2；W 全部荷载对滑动面的法向分力（含扬压力），kN;P 全部荷载对滑动面的切向分力（含扬压力），kN。,(一)抗滑稳定计算,2抗剪强度计算公式 式中K按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f 滑动面的抗剪摩擦系数。岩基厂房整体抗滑稳定的安全系数不分等级按表13-2选用,表13-2 抗滑稳定的安全系数,(二)抗浮稳定性计算,厂房抗浮稳定性可按下式计算 式中 Kf 抗浮稳定安全系数；W 机组段的全部重量，kN；U 作用于机组段的扬压力总和，kN。根据水电站厂房设计规范
12、，抗浮稳定安全系数Kf在任何计算情况下不得小于1.1。,(三)地基应力计算,1计算方法厂房地基面上的法向应力，可按下式计算(13-4)式中 厂基面垂直正应力，kPa；W 作用于机组段上全部荷载在厂基面上的法向分力总和，kN；Mx，My作用于机组段上全部荷载对计算截面形心轴x、y的力矩总和，kN.m；x、y 计算截面上任意点至形心轴的距离，m；Jx，Jy计算截面对形心轴x、y轴的惯性矩，m4；A厂基面计算截面积，m2。式(13-4)假定厂房基础为刚体，厂基面地基应力为线性分布。,(三)地基应力计算,2计算要求 岩基上厂房地基面上的垂直正应力用材料力学计算时应符合下列要求：(1)厂房地基面上承受的
13、最大垂直正应力，不论是何种型式的厂房，在任何情况下均不应超过地基允许承载力，在地震情况下地基允许承载力可适当提高。,2计算要求,(2)厂房地基面上承受的最小垂直正应力(计入扬压力)应满足下列条件：河床式厂房：除地震情况外都应大于零，地震情况允许出现不大于0.1MPa的拉应力。坝后式和引水式厂房：正常运行情况下，一般应大于零；机组检修、机组未安装及非常运行情况下，允许出现不大于0.10.2MPa的局部拉应力。地震情况下，如出现大于0.2MPa的拉应力，应进行专门论证。厂房整体稳定和地基应力计算不满足要求时，应在房地基中采取防渗和排水措施。,第三节 吊车梁及排架柱结构计算,一、吊车梁 吊车梁是直接
14、承受吊车荷载的承重结构。1、桥式吊车特点：起吊容量大、工作间歇性大、操作速度缓慢、使用率低(只在机组进行安装和检修时才用)。2、吊车梁形式：预应力钢筋混凝土、钢结构(较少采用)3、钢筋混凝土吊车梁分为：现浇、预制和叠合梁等形式。现浇吊车梁可分：单跨简支和多跨连续结构(在厂房伸缩缝处必须分开)。预制梁大多为单跨预应力混凝土结构。4、吊车梁截面截面形式：矩形、T形和I字形。,(一)吊车梁荷载,1固定荷载：自重(按吊车梁实际尺寸计算)、钢轨及附件重根据厂家资料取，初估时可取1.52.0kN/m。2移动荷载：承受移动的竖向集中荷载、横向水平制动力。(二)吊车梁内力计算和截面设计内容(1)承受移动竖向轮
15、压作用的内力计算。(2)承受移动横向水平制动力作用的内力计算。(3)正、斜截面的强度计算。(4)扭矩计算、挠度计算。(5)裂缝宽度验算和局部拉应力计算。,二、排架柱,排架柱是厂房上部的主要承重结构。厂房排架柱一般采用钢筋混凝土结构，以牛腿面为界分上柱和下柱。排架柱高度较高，通常为2030m。主厂房一般为单层排架，安装间单层、多层均有。排架柱跨度一般在1025m范围内，且大多是单跨排架。排架柱的构成多采用实复柱与屋面大梁现场浇筑的整接型式 由于水电站厂房布置各不相同，排架柱的型式、尺寸、受荷情况也不相同，设计较难标准化、定型化。,(一)排架柱设计荷载,(一)排架柱设计荷载,作用在排架柱上的荷载分
16、恒载和活荷载两类 1恒载 屋面自重g1、小柱自重G1、大柱自重G2、吊车梁自重G3(包括轨道和附件重)、楼板荷载、上游侧尚有填土压力或山岩压力(地面高程高出柱底高程)。2活荷载一般包括屋面活荷载(人群 荷载或雪荷载)p1、吊车竖向荷载Dmax、Dmin、横向水平制动力Tmax，风荷载p2、p3等。3.温度应力和干缩应力、尾水压力(下游水位高出柱底高程时)、地震荷载(地震区)。荷载组合要选择可能发生的最不利情况进行组合。,(二)排架计算简图,厂房排架结构为一空间构架，一般均简化成按纵、横两方 向的平面结构分别进行计算。由于纵向平面排架柱较多，刚度较大，荷载较小，往往可不必计算。横向平面排架柱由于
17、荷载大，刚度相对较小，为排架计算的主要内容。主机间和安装间典型排架计算简图,（a)主机间刚接排架(b)装配场刚接排架(c)主机间铰接排架(d)装配场铰接排架,(二)排架计算简图,1计算单元 横向平面排架是由相邻柱距中线划出一个典型区段作为一个计算单元。2计算简图 上、下柱截面不等，为一变截面排架，计算简图根据柱与屋面大梁、楼板和基础连接的实际情况选取。(1)当排架柱与屋面大梁整体浇筑时，柱与梁视为刚接；屋盖采用厚板结构时，也为刚接；当屋盖采用屋架结构时，柱与屋架视为铰接。(2)排架柱与基础连接。排架上游柱脚一般假设固定在水轮机层块体混凝土顶部。如上游墙较厚，则上游柱可假设固定在底墙顶部。当厂房
18、下游墙为与尾水闸墩整体浇筑的厚墙时，排架下游柱脚可假设固定在尾水闸墩顶部，否则按固定在水轮机层考虑。,(二)排架计算简图,(3)排架柱与楼板连接。楼板可视为柱的铰支承。安装间楼板刚度较大，且大梁与柱均为一期混凝土整体浇筑，可视为刚接。(4)计算简图中，横梁的计算工作线取截面形心线(屋架则取其下弦线)。柱取上部小柱的形心线，整个柱为一阶形变截面构件。3计算宽度计算排架各杆的刚度时，柱截面计算宽度的取法为：当围护结构为砖墙时，取柱宽；当围护结构为与柱整浇的混凝土墙时，取窗间净距。横杆计算宽度的取法是：当横杆为独立梁(即采用预制屋面板)时，取梁宽；当横杆为整浇肋形结构时，按T形截面梁计算刚度。,(三
19、)内力计算,排架计算中，各杆均视为刚杆计算。排架的内力计算按结构力学的一般方法进行。如果排架为对称的二阶形柱形时，可利用现成的图表计算内力；如果排架柱为不对称或杆件为变截面时，可利用专门图表查出各杆件的形常数和载常数，然后用迭代法或力法计算内力。水电站厂房排架大部分或全部为水上结构，一般可按钢筋混凝土设计规范进行设计。当排架的施工条件难以符合上述规范时，则按水工钢筋混凝土设计规范设计。,第四节 发电机的支承结构与风罩,一、发电机的支承结构(机墩)发电机的支承结构，其底部与蜗壳顶板联成一体，承受着巨大的静、动荷载，必须具有足够的刚度、强度、稳定性和耐久性。(一)作用在机墩上的荷载及荷载组合 1.
20、垂直静荷载A1：机墩自重，发电机层楼板重及其荷载，发电机定子、励磁机定子及附属设备等重，上机架、下机架重，定子基础板重，下支架在顶起转子时的负荷。这些荷载通过定子基础板作用于机墩顶部。,(一)作用在机墩上的荷载及荷载组合,2.垂直动荷载A2 发电机转子连轴及励磁机等重，水轮机转轮连轴重，轴向水推力。通过推力轴承传给机架再传至机墩。3水平动荷载A3由于发电机转子中心与转动中心不相重合，有一个偏心距e，因而机组在运行中就产生了惯性离心力，从而引起机墩的振动离心力。通过导轴承传给机墩。4扭矩荷载A4 转子磁场对定子磁场的引力受到切向力的作用，通过机墩基础板的固定螺栓形成机墩扭矩。,荷 载 组 合,机
21、 座 荷 载 组 合 表,(二)圆筒式机墩的结构计算,1、静力计算圆筒式机墩按上端自由下端固结于蜗壳顶盖上(矮机墩除外)的等截面圆筒计算。作用在机墩上的荷载，可按均布荷载计算，即按实际作用位置分别换算为沿相当圆筒中心圆周上的垂直均布静、动荷载，作用于机墩截面形心。根据力的平移法则，将全部垂直荷载简化为作用在圆筒截面中和轴上的轴力P和它对中和轴的弯矩M，如图所示。在静力计算时，除轴向水压力外，所有静动荷载均乘以1.31.5的动力系数,圆筒机墩结构计算简图,2、动力计算,验算共振、振幅和动力系数计算 机墩动力计算目的是：(1)校核机墩强迫振动和自振之间是否会产生共振现象；(2)验算振幅是否在允许范围内；(3)核算动力系数(为静力计算所用)。,二、风罩墙的结构计算,风罩墙一般是钢筋混凝土薄壁圆筒结构，底部与机墩圆筒顶部固结，顶部与发电机层楼板的连接有整体式、简支式和分离式三种。风罩墙一般是整体浇筑，也可用预制构件分片组合。,风罩墙结构计算简图(1)当风罩墙半径与壁厚之比(R/)大于10，并且高度较大时，可按有限长的薄壁圆筒公式计算，底部固结，顶部自由或径向简支；(2)当开孔较多且尺寸较大，破坏圆筒整体性时，按圆周上为单宽的竖向梁计算，底部固结，顶部采用自由、铰支、固接或与发电机层楼板刚结，风罩墙与发电机层楼板一起按型框架计算，但环向要适当布筋加强。,
