某水电站主厂房钢管混凝土组合结构设计.pdf

3 0 张承业 某水 电站主厂房铜 管混凝 土组合结构设计 文章 编号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 3 0 O 3 某水 电站主厂 房钢 管混凝土组合结构设计 张承业 ( 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 为复核某水电站主厂房新型钢一 混凝土组合结构设计的合理性， 通过 S A P 2 0 0 0结构软件计算对该结构进行 了分析研究， 结果表明该结构设计满足规程规范要求 ， 为设计提供了依据。 关键词： S A P 2 0 0 0 ； 钢 混凝土 ； 组合结构 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 - 2 6 1 0 2 0 1 6 0 2 0 0 9 De s i g n o f Co m b i ne d S t r u c t ur e o f Pe ns t o c k a n d Co nc r e t e i n Po we r ho u s e ZHANG Ch e ng y e ( N o h w e s t E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d ， X i a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B y a p p l i c a t i o n o f S AP 2 0 0 s o f t w a r e ，a n aly s i s a n d s t u d y a r e p e r f o r me d t o r e c h e c k t h e d e s i g n r e a s o n a b i l i t y o f t h e n e w s t e e l c o n c r e t e c o m b i n e d s t r u c t u r e o f t h e p o w e r h o u s e o f o n e h y d r o p o w e r p r o j e c t T h e s t u d y p r e s e n t s t h a t t h e s t r u c t u r a l d e s i gn s a t i s fi e s r e q u i r e m e n t s o f s p e c i fic a t i o n Th i s p r o v i d e s de s i gn wi t h b a s i s Ke y wo r ds： S AP 2 ( X ) 0；r e i n f o r c e d c o n c r e t e；c o mb i n e d s t ruc t ur e 钢管混凝土组合柱具有承载力能力高 、 抗震性 能好 、 快速施工 、 一次成型的优点 ， 缺点是造价较为 高昂。洪家渡水 电站 ( 2 0 0 4年建成 ) 厂房上部结构 首次采用钢管混凝 土排架结构 以来开始受到水电站 厂房建设 的重视 ， 但 可供借鉴 的设计经验不多。由 于本案例水电站场地地震烈度高 ， 设防烈度为 8度 ， 地面厂房主厂房跨度大 ， 钢管排架柱间距大 ， 荷载情 况较为复杂 ， 排架柱的强度 、 刚度和稳定性对整个厂 房的安全具有重要的影响。为了保证该水电站主厂 房新型钢管混凝土组合结构的安全性、 可靠性 、 合理 性及功能性 ， 本研究利用 S A P 2 0 0 0结构软件对组合 结构进行了研究分析 。 1 f 算案例简介 本水电站厂房主要 由安装间 、 1号主机间、 2号 主机间组成， 长度分别为 3 2 7、 1 9 4和 1 9 4 m， 跨 度相同均为 2 4 1 m。 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 1 2 O 作者简介： 张承业( 1 9 8 2 一) ， 男， 安徽省安庆市人， 工程师， 主要 从事水电站水工设计T作 水 电站 因急于投产发电 ， 主厂房上部架构采用 钢管混凝土柱组合结构。初拟钢管混凝土柱等间距 布置 ， 8根 吊车梁简支于柱上 ， 柱体外侧 由钢板 焊接 而成 ， 内填 C 4 0 F 2 0 0 W4( 一级配 ) 混凝 土。横剖面 、 平面布置见图 1 ， 排架柱上 、 下柱体截 面尺寸分 别为 1 1 m 1 1 m、 1 8 m 1 4 m， 长边 、 短边钢板厚度分 别为 1 6 m m和 2 2 m m。 图 1 主厂房横剖面图 单位： mlY l 西北 水 电 2 0 1 6年 第 2期 3 1 2 荷载及工况组合 2 1 计算荷载 ( 1 )恒载 包括屋面均布恒载 ， 网架 自重 0 5 k N m ， 以及 钢管混凝土组合柱 自重。 ( 2 )活载屋面雪载 均布活载为 0 5 0 k N m 。 ( 3 )风载 基本风 压 0 4 k N m ， 按 最 不利 方 向施 加 4 k N m 。 ( 4 )吊车荷载 主厂房吊车起重机参数 2 5 0 t 6 3 t 2 x 1 0 t 单小 车桥式起重机 ， 轮距如 图2 。 图 2 吊车轮距示意 图 单位 ： m m 1 )根据要求 ， 钢管混凝土排架柱在施工 阶段起 吊重量按 3 0 t 计算 ， 吊车最大轮压 、 最小轮压为 ： 上游侧最大轮压 P =1 6 9 t ， 上游侧最 小轮 压 P上 i =8 5 t ； 下游侧最大轮压 P 下 =1 7 5 5 t ， 下游侧最小轮 压 P 下 i = 9 t 。 2 )正常运行时吊车最大轮压 、 最小轮压为： 上游侧最大轮压 PE m a x =4 5 t ， 上游侧最小 轮压 P i =8 5 t ； 下游侧最大轮压 P 下 = 4 3 2 t ， 下游侧最小轮 压 P 下 = 8 t 。 3 )据此吊车对排架柱作用力( 考虑竖 向荷载增 大系数 1 0 5 、 动力荷载系数 1 0 4 ) 吊车对下柱的最大竖向作用力为 2 6 2 2 7 k N； 吊车对下柱的最大水平横向刹车力为 1 4 5 k N； 吊车对下 柱 的最大 水平 纵 向刹车 力 为 5 O 4 k N； 吊车空载下对柱的最大竖向作用力为 9 0 0 k N； 施工期吊车梁的最大竖向作用力为9 4 3 4 k N ； 施工期吊车对柱的最大水平横向刹车力为 6 0 kN； 施工期 吊车梁 的最 大水 平纵 向刹 车力 为 2 1 k N ； 吊车梁工作制为轻级。 ( 5 )地震作用( S E) 反应谱采用 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0规范谱 ，采用底 部 剪力分配法计算 ， 地震信 息 ： 设 防地 震分组 为第 2 组 ， 8度设防烈度 ( 加速度 0 2 g ) ，1 0类场地类别 ， 二级抗震等级 。 2 2 荷载作用分项系数 ( 1 )结构重要性 系数 0 9 。 ( 2 )荷 载分 项 系数 ： 横 载 当对 结 构有 利 时取 1 0， 不利时取 1 21 3 5 ， 活载 和水 平地震分别取 1 3、 1 0。 2 3工况 组合 2 3 1 承载能力极限状态验算荷载组合 ( 1 )1 2恒载+ 1 3活载+ 1 2 ( 3 0 t ) 吊车竖向荷 载+ 1 2水平横向荷载+ 1 3风载 ( 施工前期 ， C 1 ) ； ( 2 )1 2恒载+ 1 3活载+ 1 2 ( 3 0 t ) 吊车竖向荷 载+ 1 2水平纵向荷载+ 1 3风载 ( 施工前期 ， C 2 ) ； ( 3 )1 2恒载+1 3活载+1 2吊车竖 向荷 载+ 1 2水平横向荷载+ 1 3风载( C 3 ) ； ( 4 )1 2恒载+1 3活载 + 1 2吊车竖 向荷 载+ 1 2水平纵向荷载+ 1 3风载 ( C 4 ) ； ( 5 )1 2恒载+1 3活载+1 2吊车竖 向荷 载+ 1 3风载 + 1 0地震荷载( y ) ( C 5 ) ； ( 6 )1 2恒载+ 1 3活载+ 1 2吊车竖 向荷载 + 1 3风载 + 1 0地震荷载( ) ( C 6 ) 。 2 3 2 正常使用极 限状 态验算荷载组合 ( 1 )1 0恒载+ 1 0活载+ 1 0施工期 吊车竖 向 荷载+ 1 0施 工期横 向水 平荷载 + 1 0风载 ( 施工 ， C 7 ) ； ( 2 )1 0恒载+ 1 0活载+ 1 0运行期 吊车竖 向 荷载+ 1 0横 向水平荷载+ 1 0风载( C 8 ) ； ( 3 )1 0恒载+ 1 0活载+ 1 0施工期 吊车竖 向 荷载+ 1 0施 工期纵 向水平 荷载+1 0风 载 ( 施工 ， C 9 ) ； ( 4 )1 0恒载+ 1 0活载+ 1 0运行期 吊车竖 向 荷载+ 1 0纵 向水平荷载+ 1 0风载( C 1 0 ) 。 3 结构分析 本计算采用 S A P 2 0 0 0结构软件对上述结构进 行分析 ， 计算 中外力有屋面网架 横载 、 屋面雪荷载 、 风荷载、 吊车荷载以及地震作用 ， 模拟 了6组工况组 合进行承载能力极限状态验算， 4组工况组合进行 3 2 张承业 某水电站主厂房铜管混凝 土组合结构设计 正常使用极限状态验算 ， 依照规范对结构强度 、 稳定 性及变形进行 了复核。 3 1 内力 复核 本计算采用 6组工况组合进行 了内力复核 ， 结 果见表 1 。 表 1 承载能力极限状态下各柱 内力表 3 2施 7 - 期纯 钢结 构局 部稳 定性 复核 ( 1 )根据 G B 5 0 0 1 7 -2 0 1 3 钢结 构设计 规范 中 4 3 8 节 规 定 箱 形 截 面 翼 缘 局 部 稳 定 性 要 求 ： 4 0 ， 考虑纵 向加劲肋 间距 6 ：3 0 c m， 一 b： t _l 0 0 1 2 _ 3 j ( 2 )根据文献 1 中 5 4 3节规定箱形截面腹 板局部 稳 定 性 要求 ： _h o ( 1 6 。+0 5 A +2 5 ) W ，考虑纵向加劲肋间距 。 =6 。c m， h o = 0 6 = 4 1 3 ， 根据计算局部稳定性满 足构造要求。 3 3 运行期钢管混凝土组合结构强度及稳定性复核 运行期钢管混凝土柱需满足承载力及稳定性要 求 ， 依据 C E C S 1 5 9： 2 0 0 4 矩形钢管混凝土结构技术 规程 计算公式 ， 计算结果均小于允许值 1 0 ， 满 足要求。 3 4 正常使用极 限状态下验算 本计算采用4组工况组合进行了正常使用极限 状态验算， 结果见表2 。 4 细部设计 ( 1 )基础设计 为增强基础刚度 ， 在钢管混凝土柱与基础之间 增设 4 5 根插筋， 预先浇筑于基础里面， 待钢管混凝 土柱 吊装到位后灌注混凝土固定 。 表 2 正 常使 用极 限状态下关键部位位移值表 ( 2 )永久缝设计 安装间 、 1号主机问、 2号主机之间存在混凝土 永久缝面 ， 但上部为整体钢结构 ， 为了限制缝面错动 位移对上部结构的破坏 ， 在缝面处设 置了穿插缝面 插筋。同时为适应缝面冷缩 ， 对插筋进行沥青涂抹 并裹塑料布保护 J 。 ( 3 )联系钢梁设计 因构造要求钢管混凝 土柱体 问设置 3层 H形 联系钢梁 ， 并在上下柱问设置斜支撑 ， 由交叉工形钢 梁组成 。 5 结语 本研究通过 S A P 2 0 0 0结构设计 软件对厂房钢 管混凝土排架柱进行结构分析 ， 分析得 到了结构 内 力 、 变形 。依照规程规范对结构强度 、 稳定性及变形 进行了复核 ， 计算结果表 明厂房钢管混凝土排架柱 结构合理 ， 为设计提供了依据 。目前该项 目已建成 发电 ， 主厂房钢管混凝土组合柱结构运行 良好。 参考文献： 1 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3， 钢 结 构设 计规 范 S 北京 ： 中国 计划 出版 社 2 0 0 3 2 C E C S 1 5 9： 2 0 0 4 ， 矩形 钢管 混凝土结 构技 术规程 S 北京 ： 中 国计划 出版社 ， 2 0 0 3 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 ， 2 0 1 1 ， 2 5 ( 6) ： 1 2 1 6 4 孙粤琳 ， 张燎军 ， 冉 懋鸽 洪 家渡水 电站 厂房矩形 钢混 柱接触 分析研究 J 三峡大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 4 9 7 5 0 0 5 孙粤琳， 张燎军， 冉懋鸽 矩形钢管混凝土柱温度场及温度应 力的有限元分析 J 水利水电科技进展， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 3 3 3 6 6 卢羽平 ， 张燎军 ， 冉懋鸽 洪家 渡水电站厂房矩形钢 管混凝 土叠 合柱抗震分析 J 华北水利水电学 院学报 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 3 5 3 8 7 徐政 洪家渡水电站 厂房矩形 薄壁钢管 昆凝 土组合 柱试验 研 究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 5 8 周烨 钢管混凝土柱在水电站厂房结构中的应用 D 长沙： 长沙理工大学 ， 2 0 1 3