16——水电站厂房结构分析

第十二章水电站厂房结构分析2009年11月第一节水电站厂房的结构特点水电站厂房的结构组成及作用一、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(构架)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，并将它们传给排架柱。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，传给梁并部分传到厂房下部结构的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，并将它传给屋架或屋面大梁和基础或厂房下部结构的大体积混凝土块体。(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。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)、下部结构二、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，人群荷载及运输工具荷载；⑥温度荷载；⑦风荷载；⑧雪荷载；⑧严寒地区的冰压力；⑨地震力。(二)厂房的传力系统屋面板大梁吊车+起吊物吊车梁砖墙过梁(联系梁)各层楼板梁发电机+水轮机机座蜗壳外围座环块体结构及基础三、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：机组到货一般均迟于土建施工期，为了适应机组安装要求，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：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，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。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。(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2～3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1~2cm，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厂房整体稳定和地基应力计算的内容一般包括沿地基面的抗滑稳定、抗浮稳定和厂基面垂直正应力计算。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性。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。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。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，基本原则与混凝土重力坝及水闸相似。但因厂房机电设备多，结构形状复杂，故必须以两个永久缝之间或一个机组段长度为计算单元，进行稳定分析和地基应力计算时，不能取单宽进行计算。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。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。(二)、荷载组合荷载类别荷载组合计算情况水位选取结构自重永久设备重回填土石重水重静水压力扬压力浪压力泥沙压力土压力冰压力地震力a1上游正常蓄水位和下游最低水位√√√√√√√√√√a2上游设计洪水位和下游相应水位√√√√√√√√√基本组合正常运行b下游设计洪水位√√√√√√√a上游正常蓄水位和下游检修水位√√√√√√√√√机组检修b下游检修水位√√√√√√a上游正常蓄水位或设计洪水位和下游相应水位√√√√√√√√√机组未安装b下游设计洪水位√√√√√√a上游校核洪水位和下游校核洪水位√√√√√√√√√非常运行b下游校核洪水位√√√√√√√a上游正常蓄水位和下游最低水位√√√√√√√√√√√特殊组合地震情况b下游满载运行水位√√√√√√√√注：表中a适用于河床厂房，b适用于坝后和引水厂房。厂房整体稳定分析的荷载组合可按上页表采用。厂房稳定和地基应力计算要考虑厂房施工、运行和扩大检修期的各种不利情况。1．正常运行对河床厂房来说，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。对坝后式厂房和引水式厂房来说，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。3．机组未安装厂房施工一般是先完成一期混凝土浇筑和上部结构，以后顺序逐台安装机组并浇筑二期混凝土，机组安装周期较长，如机组是分期安装的，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。在这种计算情况中，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。(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；A——基础面受压部分的计算面积；∑W——全部荷载对滑动面的法向分力（含扬压力）;∑P——全部荷载对滑动面的切向分力（含扬压力）。PACWfK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，按表选用。PWfK抗滑稳定安全系数荷载组合基本组合特殊组合无地震有地震K1.101.051.00K′3.002.502.30(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》，抗浮稳定安全系数Kf在任何计算情况下不得小于1.1。UWKf(三)地基应力计算1．计算方法厂房地基面上的法向应力，可按下式计算式中σ——厂基面垂直正应力，kPa；∑W——全部荷载在厂基面上的法向分力总和，kN；∑Mx，∑My——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。yyxxJxMJyMAW2．计算要求①厂房地基面上承受的最大垂直正应力，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：a)对于河床式厂房，除地震情况外都应大于零，在地震情况允许出现不大于0.1MPa的拉应力。b)对于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0.1~0.2MPa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。③厂房整体稳定和地基应力计算不满足要求时，应在厂房地基中采取防渗和排水措施。第二节发电机支承结构一、发电机支承结构立式水轮发电机的支承结构是机墩(机座)，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。本节主要介绍圆筒式机墩。发电机层楼板与圆筒式机墩或风罩的连接方式：①整体式。其抗扭、抗水平推力的刚度较高，受力情况较好，是应用最多的一种型式。但这种型式会因混凝土的收缩及机墩的振动而使楼板发生裂缝。②简支式。有利于采用预制构件，并在机墩处设置弹性防振垫层，以减轻楼板受机墩振动的影响，连接构造复杂些，又不能加强机墩的刚度，应用不广。③分离式。楼板与机墩自成独立的受力系统，互不影响，楼板上的荷载通过梁柱系统直接传给基础，楼板不受机墩振动的影响。(c)机墩与楼板分离式连接(1.楼板2.机墩或风罩3.次梁)(a)机墩与楼板整体式连接(b)机墩与楼板简支式连接1.楼板2.机墩或风罩1.楼板2.机墩或风罩3.弹性垫层二、作用在机墩上的荷载及其组合1.垂直静荷载A1。包括：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。2.垂直动荷载A2。包括：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。发电机层楼板传来的荷载应由厂房上部结构计算得出。机组部分重量和轴向水推力资料应由制造厂家提供。3.水平动荷载A3。由于发电机转子中心的偏心距e，机组在运行中所产生的惯性离心力，从而引起机墩的振动离心力。通过导轴承传给机墩。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。荷载组合荷载组合计算情况荷载名称A1A2A3A4正常飞逸正常短路基本组合正常运行√√√√特殊组合1．短路时√√√√2．飞逸时√√√三、圆筒式机墩的结构计算按上端自由(不计发电机层楼板的刚度)下端固结于蜗壳顶盖上(矮机墩