15水电站厂房结构分析.ppt

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1、第十二章 水电站厂房结构分析,2011年2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

2、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 外墙。承受风荷载，并将它传给排架柱或壁柱。 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。 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

3、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 厂房结构自重，压力水管、蜗壳及尾水管内水重； 厂房内机电设备自重，机组运转时的动荷载； 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； 厂房四周的土压力； 活荷载：吊车运输荷载，人群荷载及运输工具荷载； 温度荷载； 风荷载； 雪荷载； 严寒地区的冰压力； 地震力。,(二) 厂房的传力系统,三、厂房混凝土浇筑

4、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

5、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23台机组设一条永久缝。 在

6、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

7、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

8、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

9、的上、下游水位确定。,(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。,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

10、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

11、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）。,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。,(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

12、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 式中 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。,2计算要求,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。 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： 对于河床式厂房，除地震情况

13、外都应大于零，在地震情况允许出现不大于0.1MPa的拉应力。 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0.10.2MPa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： 整体式。其抗扭、抗水平推力的刚度较高，受

14、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。 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。 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,垂直静荷载A1。

15、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。 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。 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。

16、 荷载组合,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。 在静力计算进行强度校核时，除轴向水压力外，所有静动荷载均乘以1.31.5的动力系数。,1、动力计算 机墩动力计算目的是： 校核机墩否会产生共振现象； 验算振幅是否在允许范围内； 核算动力系数(为静力计算所用)。 机墩自振频率的计算通常简化为单自由度体系的振动，将机墩圆筒本身的重量，用一个作用于筒顶的集中质量(相当质量)来代替。 在计算自振频率

17、和动力系数中，假定为无阻尼作用，并认为机墩振动是在弹性范围内做微幅振动。,动力计算的内容,自振频率计算 垂直自振、水平横向自振和水平扭转三种自振频率 机组强迫振动频率 由机组转子质量不平衡产生的强迫振动，其频率等于机组每分钟转数水平振动 由水力冲击产生的强迫振动，其频率等于导叶叶片与转轮叶片在运动中的相互交会次数竖向振动 共振校核 机墩的自振频率与强迫振动频率之差和自振频率之比应大于20%30%。,振幅计算 包括垂直振幅、水平振幅和扭转振幅 振幅校核标准 垂直振幅A10.100.15mm 水平振幅(包括扭转)A2+A30.150.20mm 动力系数的核算 在机墩结构计算时，将动荷载乘以动力系数

18、当成静荷载计算，设计中值一般采用1.31.5。 计算出的值若小于1.31.5时，仍采用1.31.5。,2、静力计算,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。,静力计算的内容,内力计算： 当圆筒较矮厚，即圆筒高度L/时，可按整体薄壁长圆筒计算。 各截面的垂直应力分布 求得截面的内力后，可按偏心受压构件的计算公式求各截面的

19、垂直应力分布。 扭矩及水平离心力作用下剪应力计算 强度校核。按第三强度理论进行校核。,四、圆筒式机墩配筋,圆筒式机墩沿圆筒圆周配置竖向钢筋、水平环向钢筋、孔口钢筋，一般不布置斜向钢筋。 竖向受力筋应按偏心受压柱计算确定。直径不小于16mm，间距不大于30cm，沿内外壁各布置一层，兼作架立筋。 环向筋起固定竖向筋、抵抗温度应力、混凝土收缩应力及环向力作用。由于机墩水平环向截面大，环向应力相对较小，一般均按构造配筋。直径不小于12mm，间距不大于30cm。 大孔口根据孔口应力计算结果，按应力大小在孔边配环向筋，直径1016mm，间距不大于1015cm；小孔孔边配适量的钢筋。,五、风罩墙的结构计算,

20、计算模型简化 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； 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。 荷载 结构自重；发电机层楼板传来的荷载；发电机上支架千斤顶水平推力；发电机产生短路扭矩时，发电机层楼板施于风罩的约束扭矩；温度应力。,内力计算及配筋 根据计算出的纵向弯矩、水平径向剪力、纵向轴力、环向弯矩和环向轴力后，分别按最不利组合叠加。 以纵向弯矩、纵向轴力按偏心受压构件配置风

21、罩墙纵向钢筋，以环向弯矩按受弯构件配置环向钢筋，环向轴力忽略不计，并用水平径向剪力校核风罩墙水平截面的抗剪强度。,第三节 蜗壳结构计算,一、钢蜗壳外围混凝土结构计算,一、钢蜗壳外围混凝土结构计算,构造方法 在蜗壳上半部与外围混凝土之间应设24层总厚为24cm左右的沥青油毛毡或软木玛缔脂等弹性垫层，使二者互相分离，受力互不传递。 钢蜗壳承担全部内水压力，外围混凝土结构承担上部结构传来的荷载及自重。 主要针对蜗壳中心线以上的外围混凝土结构，蜗壳中心线以下部分混凝土与下部块体结构整体浇筑，不必计算。 金属蜗壳与外围混凝土之间不设垫层时，外围混凝土结构除承受结构自重和外荷载外，还要承受部分内水压力。,

22、荷载 结构自重A1。 机墩传来的荷载A2。机墩静力计算中求出的底面正应力假定为直线分布。 水轮机层地面活荷载A3。参考实际工程资料确定。 内水压力(包括水击压力)A4 。 外水压力A5。 温度影响力A6。,3. 荷载组合,4. 计算模型,1机墩 2座环 3弹性垫层 4外墙 5二期混凝土 6一期混凝土 7刚性结点 8圆拱,计算模型,蜗壳外围结构的一、二期混凝土间易形成冷缝，故形刚架截面厚度仅考虑二期混凝的厚度。 计算简图的选取以杆件曲面中心轴线为准。 当杆件截面厚度较小，截面最小高度h与计算跨度L之比h/Ll/5或蜗壳尺寸很小时，可忽略结点宽度和剪切变形影响，按一般形刚架计算。 当杆件截面厚度很

23、大，h/Ll/5时，应考虑结点刚度和剪力引起的剪切变形对结构内力的影响，可将结点宽度范围内的杆件用刚性杆段代替，如图(b)所示。,为简化计算，可按杆件中心线长度L及h构成的形刚架计算跨中弯矩，用净跨长L1及h1构成的形刚架计算结点弯矩。 初步估其时也可按净跨L1及h1构成的形刚架计算内力，不考虑刚性杆段作用。 若蜗壳边墙较厚，或相邻两机组段之间不设永久性变形缝，蜗壳边墙刚度比顶板刚度大8倍以上时，可考虑按一端铰接于座环，另一端固接于边墙的梁或圆拱计算，如图(c)所示。,5、内力计算及配筋原则,内力计算：用结构力学方法求出杆件内力。 配筋： 用形刚架计算内力不很合理，一般除进口断面按计算配筋外，

24、其余部位可采用计算值的80%配筋或按构造配筋。 蜗壳顶板按受弯构件配筋。受力筋径向辐射等距布置、上下各一层。上层钢筋可分区按一定等差切断，但切断点应伸出边墙外周边30d以上。下层钢筋可沿金属蜗壳表面整环布置，两端与座环焊接。,5、内力计算及配筋原则,计算时不计水平环向约束，但在顶板及边墙的环向应配置构造钢筋及温度筋，直径不小于20mm，间距不大于2030cm。 蜗壳的边墙按偏心受压构件配筋，受力筋垂直向布置，分内外两层，直径不宜小于1216mm，间距不大于2030cm。 外围混凝土结构不需验算斜截面强度。混凝土允许开裂，但应验算裂缝开展宽度。,图12-14 金属蜗壳外围混凝土结构配筋图 1-水

25、平环向构造温度筋 2-径向受力筋等差切断 3- 径向受力筋沿蜗壳表面整环布置 4- 水平环向构造温度钢筋,二、钢筋混凝土蜗壳,1侧墙 2 尾水锥体 3 下游压力墙 4 进口底板 5 排架柱 6 环形薄墙 7 机墩 8 顶板,荷载及荷载组合 与金属蜗壳外围混凝土结构相同。 内力计算 是一个整体性的空间结构，只有用三维有限元法才能求出蜗壳结构的整体应力状态。 目前设计中沿用的基本方法有结构力学法或弹性理论方法，对大型厂房应用三维有限元计算蜗壳结构内力。,(1)、结构力学法平面框架法,简化为平面框架计算，可利用结构力学常用图表计算。方法与金属蜗壳外围混凝土结构相同。宜于中小型机组采用。 进口段。沿水

26、流方向切取单宽横截面，按固结于底板的形框架计算，荷载为内水压力及自重。 蜗壳段。沿下游压力墙中心周长从径向切取单宽平面形框架。框架横梁(蜗壳顶板)一端与水轮机座环铰接，另一端与蜗壳侧墙刚接，侧墙固结于蜗壳底板或尾水管顶板上。,平面框架法简化模型,尾水锥体。为一变厚、变高的厚壁锥形圆筒，上端水平，下端为螺旋形曲面。计算时，一般简化为上端自由、下端固接于尾水管弯管和边墩上的等厚等高短圆筒。圆筒高度取进水口处锥体最大高度H，厚度与直径取上、下两端平均值。,(2). 结构力学法环形板墙法,蜗壳顶板和侧墙的连接为固结，因而蜗壳顶板、侧墙和压力墙可分开计算，假定各为独立结构，不考虑相互之间的变位调整，仅考

27、虑反力传递。 进口段。顶板与侧墙都按两端固定的梁板或双向板计算。 蜗壳旋形段。作为环形板计算或将顶板分成数块，每块均作为环形板的一部分计算，如图所示。环形板外周视为固定端，内周根据具体布置情况确定支承形式。,蜗壳侧墙分为两部分。靠近下游压力墙部分墙体按三边固结、一边自由的双向板计算；上游进口段部分则按上下两边固定的单向板计算。下游压力墙为一变厚、变高墙体，近似按四边固定板计算，厚度按压力墙最薄处厚度计。,3、配筋原则,钢筋混凝土蜗壳承受较大的内水压力，除强度计算外，应按不允许开裂进行校核。 受力钢筋直径一般不小于1216mm，间距不超过30cm。,1 机墩 2 座环立柱 3 环向筋 4 受力筋

28、 5 径向受力筋 6 架立筋 7 垂直受力筋,尾水管的计算模型,尾水管的计算模型,扩散段计算。扩散段包括顶板、底板、边墩和中墩。计算时沿水流方向切取若干截面，按单宽平面结构计算。 弯管段计算。该段的结构特点是顶板很厚，底板相对较薄，而两侧边墩在水平方向为变厚度。实际上弯管段为一复杂的空间结构，要精确计算其内力是很困难的。,弯管段计算模型,平面框架。当底板、边墩、顶板的结构厚度比较一致时，底板、边墩、顶板为一整体框架结构。图(b) 当顶板厚度很大，顶板可按简支深梁计算内力。图(c) 当顶板比较薄，两边边墩较厚、刚度较大时，按两端固定的梁式板计算。,弯管段结构计算简图,2011年2月,Thank You !,