水电站工程主厂房排架结构设计

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【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。主厂房是机、电、水的综合体，同时也是发电站工作人员的主要生产场所。在设计水电站主厂房时，其结构设计基本上都是采用排架结构，由于排架结构的特殊性，存在结构承载受限的问题。本文对水电站工程中主厂房的排架结构设计进行简单分析，研究和探讨了排架结构设计中有待提高和重视的因素。

【关键词】水电站工程主厂房设计排架结构设计 水电站设计结构设计

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

一．引言。

我国是世界上河流资源众多的国家之一，有着较为丰富的内河、内江资源。随着经济的快速发展，在河流和江河上开展的水利工程建设也越来越多。水利工程中的水电站建设一直是工程施工的重点控制内容，由于水电站主厂房需要放置发电机、水轮机等发电相关设备，同时，主厂房结构又多为单层建筑结构，在进行结构设计时多采用排架结构。排架结构在自身的平面内具有较强的承载能力和较好的钢度，但由于各排架间的承载能力较为软弱，在水利工程中，无论是在设计阶段还是施工阶段，都要引起高度重视。

二．水电站主厂房的结构布置设计。

1.水电站厂房的结构组成以及相关用途。

（1）水电站主厂房的上部结构：屋顶、排架柱、吊车梁、发电机层和安装间楼板、围护结构等，通常为钢筋混凝土结构。

屋顶部分有层面板和屋架或是屋面大梁组成，屋面板的作用为遮风避雨，隔热隔阳，屋面层部分包括隔热层、防水层、保护层以及预制钢筋混凝土大型屋面板。

排架柱是用来承受屋架、吊车梁、屋面大梁和外墙所传递的荷载，以及排架柱本身的重量，同时这些荷载通过排架柱传给房下部结构中的大体积混凝土。

吊车梁是起吊部件在制动过程中操作的移动集中垂直荷载，或者是承载吊车荷载，在吊车起重部件的时候，将启动和制动过程中产生的横向和纵向水平荷载，传给排架柱。

发电机层楼板需要承载自重、人的活荷载、机电设备静荷载；安装间的楼板承受安装机组或机组检修时的荷载和自重。

由外墙、抗风柱、圈梁以及联系梁等组成的围护结构，能承受风荷载，同时承载梁上砖墙传下的自重和荷载，将荷载传给壁柱或排架柱。

（2）水电厂主厂房的下部结构。

水电站主厂房的下部结构包括：发电机机墩、蜗壳及固定导叶、尾水管等，下部结构一般为大体积水工钢筋混凝土结构。

发电机机墩承载着发电机的自重、水轮机轴向水压力和机墩自身重量，并将自重力量传递给蜗壳混凝土和座环。

蜗壳和固定导叶是将机墩传递下来的荷载传到尾水管上。尾水管将水轮机座环传递过来的荷载，通过尾水管的框架结构传到基础上。

三.水电站的主厂房架构设计。

1.选择立柱截面形式。

在水电站的主厂房中，其结构立柱一般都是采用矩形截面，尤其是在吊车的起重能力超过10吨以上时，下柱的截面高度不应小于下柱高度的1/12，截面的宽度应不小于下柱高度的1/25。立柱高度根据厂房顶梁定的高程与发电机层地面的高程差来确定。在一般情况下，水电站的主厂房排架柱的截面尺寸基本上都比较大，这是为了满足强度和稳定的要求。柱截面的选择要能满足顶端的横向位移的控制要求。

2.厂房屋面板荷载计算以及型号选择。

发电站的主厂房一般选择安全等级为二级以上的大型屋面板，屋面板无悬挂荷载，其抗震设计的强度为6度。由于屋面的活荷载与雪荷载部同时都存在，屋面具有较大的活荷载，因此要根据实际屋面的荷载设计，布置屋架的上、下弦支撑。

3.吊车梁设计。

设计吊车梁的截面时，由于T形截面具有较大的钢度，同时具有较好的抗扭性能，在固定轨道时较为方便，在进行检查时拥有较宽的走道，比较适合大、中型的吊车梁，因此一般在选择吊车梁的截面时多采用T形截面。

4.确定控制截面和荷载作用中的内力组合。

根据排架柱受力的特点，分别取牛腿处截面、上柱底面和下柱底面（采用室内厂房地面的下0.5米处为下柱的柱底），为排架柱配筋计算的控制截面。在厂房横向跨度较小、吊车的荷载受力不大时，也可以将柱底截面作为控制下柱的配筋，并且把柱底面的截面内力值作为柱基设计的依据。如果水电站处于地震带上，要在内力计算和组合中，包含地震作用下的控制截面内力。

5.排架内力计算。

排架的内力计算和内力的组合采用手算极为复杂，因此在条件允许的情况下，尽量多采用电算方法。采用电算方法时，可使用由我国建筑科学研究院研发的CAD系统PMCBC平面结构或PKPM结构设计软件，根据水电站的实际情况，结合在施工地区的地震作用的内力计算和组合，编制计算程序。同时，依据各个截面的内力，通过系统计算，确定柱的配筋。设置配筋时，为避免其他不确定因素造成影响，设计中尽量采用对称配筋设计。

进行排架设计时，要根据下部柱子的高度和牛腿的尺寸作为参考，来计算柱截面的尺寸。根据屋面的防水层、砂浆找平层、加气混凝土、预应力混凝土屋面板以及风荷载、雪荷载等因素的标准值计算屋面的恒荷载，了解屋面结构承载能力。由于排架承载的荷载包括屋盖的自重、屋面的雪荷载、活荷载、吊车的荷载、横向风荷载等，在进行计算时要采用各项荷载的标准值，在此基础之上，才能进行内力组合。

6.排架结构注意事项。

（1）水电站采用钢筋混凝土的单层排架结构，一般不适合采用砖山墙承重，而应该在厂房的两端位置设置端排架。要在屋架和山墙顶部相对应的高度位置上设置钢筋混凝土卧梁，并要和屋架端头上部高度处的圈梁保持连续的封闭。

（2）水电站的主厂房中设置有吊车时，排架柱的预埋件通常都较多，因此在进行排架结构设计时，要将各个位置、尺寸、数目进行仔细核对，避免在施工中由于位置错误或尺寸偏差，造成屋面梁构件、吊车梁等无法准确安装。

（3）在排架结构设计时，为了提高结构的抗震能力，加强结构的整体性，要在柱外侧沿着竖向位置每隔500mm的位置上留出2∮6钢筋和外墙体的拉结。同时在外墙的圈梁上的对应位置上，设置不超过∮12的拉结筋。在主厂房的电气设计中，为保证生产照明，在柱上要设置照明灯具，灯具设置高度要以具体情况而定，以符合安全生产要求为度。在进行柱的预制时，要做好电线管的预埋，以便于后期的电线施工。

（4）水电站的主厂房设计时，考虑在地震的作用下，厂房的角柱柱头处于双向地震的作用，同时抗震强度为角柱较强，而中间排架较弱，同时受到侧向的变形约束和纵向压弯作用，为了避免施工后由于地震作用，发生角柱顶部的开裂，造成端屋架塌落和柱头折断，在进行结构设计时，要提高主厂房中的角柱柱头密箍筋的直径。

（5）为了提高水电站单层厂房的抗震验算，要进行横向和纵向两个方面的验算。一般来讲，在设计结构能满足规范和要求的条件下，七度时的一类、二类场地，在柱的高度低于10米，而且排架结构的两端具有墙支撑的单跨度厂房中，可以不进行横向和纵向截面的抗震验算。但为了提高水电站在施工完成后的服务年限，保障水电站的正常生产，进行结构设计时，尽可能要考虑抗震作用，有条件的尽量进行横向和纵向的抗震验算。

四．结束语

水电站的排架柱承载着结构中的荷载，其控制截面的内力和组合较难控制。本文就排架结构的设计进行了简单分析，提出了一定的解决方法。由于水电站主厂房的排架结构设计、施工、管理和控制都需要严谨的科学态度和专业的操作技能，因此，加强水电站施工建设，完善厂房的排架柱设计，有待大家的共同努力。

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