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1、十二章节水电站厂房结构分析Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节 水电站厂房的结构特点 水水电电站站厂厂房房的的结结构构组组成成及及作作用用浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 上部结构上部结构1、屋顶、屋顶 (1) 屋面板：隔热、遮阳、避风雨；屋面板：隔热、遮阳、避风雨； 预制钢筋混凝土大型屋面板预制钢筋混凝土大型屋面板+隔热层隔热层+防水层防水层 +保保护层护层 (2) 屋架或屋面大梁。屋架或屋面大梁。2、排架柱、排架柱(构架构架) 承
2、受屋架或屋面大梁、吊车梁、外墙传来的荷载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。体积混凝土。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 承受吊车荷载（包括起吊部件在厂房内部运行时承受吊车荷载（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，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。传给排架柱。4、发电机层和安装间楼板、发电机层和安装间楼板 发电机层楼板
3、承受着自重、机电设备静荷载和人的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、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。检修或安装时机组荷载和活荷载，传到基础。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1、发电机机墩、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、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水轮机轴向水
4、压力和机墩自重，并将它们传给座环和蜗壳外围混凝土。混凝土。 2、蜗壳和水轮机座环（固定导叶）、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。设备重量和活荷载通过蜗壳顶板也传到尾水管。 3、尾水管、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。管顶板、闸墩、边墩和底板构成的）结构再传到基础上。(二二)、下部结构、下部结构浙江水专国家精品课程浙江水
5、专国家精品课程水电站水电站http:/ 厂房主要荷载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；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；游水压力；厂房四周的土压力；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；活荷载：吊车运输荷载，人群荷载及运输工具荷载；温度荷载；温度荷载； 风荷载
6、；风荷载；雪荷载；雪荷载； 严寒地区的冰压力；严寒地区的冰压力；地震力。地震力。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (二二) ) 厂房的传力系统厂房的传力系统浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1. 厂房混凝土浇筑的分期厂房混凝土浇筑的分期v分期目的：分期目的：机组到货一般均迟于土建施工期，为了适应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。混凝土。v一期混凝土：一期混凝土：底板、尾水管、尾水闸墩、尾水平台、混底板、尾水管、尾水闸墩、尾水
7、平台、混凝土蜗壳外的混凝土、上下游边墙、厂房构架、吊车梁、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。组安装。v二期混凝土：二期混凝土：等到机组和有关设备到货后、尾水管圆锥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。钢板内衬和金属蜗壳安装完毕后，再进行浇筑。二期混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。混凝土、机座、发电机风罩外壁、部分楼层的楼板
8、。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1分缝分缝 (1) 沉降伸缩缝沉降伸缩缝为防止厂房地基不均匀沉陷，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，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沿厂房长度方向设置的伸缩缝和沉降缝(永久缝永久缝)。 特点：特点：一般都是贯通至地基，只在地基相当好时，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。缝设一道贯通地基的沉降伸缩缝。浙江水专国家精品课程浙江水专国
9、家精品课程水电站水电站http:/ (2）施工缝）施工缝根据施工条件设置的混凝土浇筑缝根据施工条件设置的混凝土浇筑缝(临时缝临时缝)。 v岩基上大型厂房通常一台机组段设一永久缝，中小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型水电站可增至23台机组设一条永久缝。台机组设一条永久缝。v在安装间与主机房之间、主副厂房高低跨分界处，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。由于荷载悬殊，需设沉降缝。v坝后式厂房的厂坝之间常沿整个厂房的上游外侧设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。一条贯通地基的纵缝。v永久缝的宽度一般为永久缝的宽
10、度一般为12cm，软基上可宽一些，但，软基上可宽一些，但不超过不超过6cm。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2止水止水v厂房水上部分的永久缝中常填充一定弹性的防渗、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。死和风雨对厂房内部的侵袭。v厂房水下部的永久缝应设置止水，以防止沿缝隙的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。渗漏，重要部位设两道止水，中间设沥青井。v止水布置主要取决于厂房类型、结构特点、地基特止
11、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。性等，应采用可靠、耐久而经济的止水型式。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 厂房整体稳定及地基应力v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。v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。v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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水
12、电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ (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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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；（
13、5）其它出现机会较少的荷载。v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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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
14、。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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v厂房整体稳定和地基应力计算应以中间机组段、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。载组合分别进行。v边机组段和安装间段，除上下游水压力作用外，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，所以必须核算双向还可能受侧向水压力的作用，所以必须核算双向水压力
15、作用下的整体稳定性和地基应力。水压力作用下的整体稳定性和地基应力。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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）。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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
16、的安全系数不分等级，按表选用。 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K1.101.051.00K3.002.502.30浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 抗浮稳定性计算抗浮稳定性计算 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。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 地基应力计算1计算方法计算方法厂房地基面上的法向应力，可按下式计算厂
17、房地基面上的法向应力，可按下式计算 式中式中 厂基面垂直正应力，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，全部荷载在厂基面上的法向分力总和，kN； Mx，My对计算截面形心轴对计算截面形心轴x、y的力矩总和，的力矩总和，kN.m； x、y 计算截面上任意点至形心轴的距离，计算截面上任意点至形心轴的距离，m； Jx， Jy计算截面对形心轴计算截面对形心轴x、y轴的惯性矩，轴的惯性矩，m4； A厂基面计算截面积，厂基面计算截面积，m2。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 发电机支
18、承结构一、发电机支承结构v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。v本节主要介绍圆筒式机墩。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 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. 弹性垫层浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 1.垂直静荷载A1。包括：机墩自重，发电
19、机层楼板重及。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，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。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，。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机架再传至机墩。发电机层楼板传来的荷载应由厂房上部
20、结构计算得出。机组部分重量和轴向水推力资料上部结构计算得出。机组部分重量和轴向水推力资料应由制造厂家提供。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。由于发电机转子中心的偏心距e，机，机组在运行中所产生的惯性离心力，从而引起机墩的振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。动离心力。通过导轴承传给机墩。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 荷载组合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飞逸时浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站h
21、ttp:/ v作用在机墩上的荷载，可按均布荷载计算，即按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。的垂直均布静、动荷载，作用于机墩截面形心。 v在静力计算进行强度校核时，除轴向水压力外，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所有静动荷载均乘以1.31.5的动力系数。的动力系数。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v根据力的平移法则，将全部根据力的平移法则
22、，将全部垂直荷载简化为作用在圆筒垂直荷载简化为作用在圆筒截面中和轴上的轴力截面中和轴上的轴力P和它和它对中和轴的弯矩对中和轴的弯矩M。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 蜗壳结构计算蜗壳结构计算一、钢蜗壳外围混凝土结构计算浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 。外水压力A5。温度影响力A6。 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水
23、电站http:/ 3. 荷载组合荷载组合蜗 壳 型 式荷 载 组 合荷 载 名 称A1A2A3A4A5A6金属蜗壳外围混凝土基 本 组 合钢筋混凝土蜗壳基 本 组 合特殊组合正常运行+温度影响力蜗壳放空校核洪水位运行浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 计算模型计算模型1机墩机墩 2座环座环 3弹性垫层弹性垫层 4外墙外墙5二期混凝土二期混凝土 6一期混凝土一期混凝土 7刚性结点刚性结点 8圆拱圆拱浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 金属蜗壳外围混凝土结构配筋图金属蜗壳外
24、围混凝土结构配筋图1-水平环向构造温度筋水平环向构造温度筋 2-径向受力筋等差切断径向受力筋等差切断 3- 径向受力筋沿蜗壳表面整环布置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水平环向构造温度钢筋浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 2 尾水锥体尾水锥体 3 下游压力墙下游压力墙 4 进口底板进口底板 5 排架柱排架柱 6 环形薄墙环形薄墙 7 机墩机墩 8 顶板顶板 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v 简化为平面框架计算，可利用结构力学常用图表计算。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
25、混凝土结构相同。宜于中小型机组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。采用。进口段。沿水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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 结构力学法结构力学法环形板墙法环形板墙法 v蜗壳顶板和侧墙的连接为固结，因而蜗
26、壳顶板、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，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，仅考虑反力传递。不考虑相互之间的变位调整，仅考虑反力传递。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。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v钢筋混凝土蜗壳承受较大的内水压力，除强度计算外，钢筋混凝土
27、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。应按不允许开裂进行校核。v受力钢筋直径一般不小于受力钢筋直径一般不小于1216mm，间距不超过，间距不超过30cm。 1 机墩机墩 2 座环立柱座环立柱 3 环向筋环向筋 4 受力筋受力筋 5 径向受力筋径向受力筋 6 架立筋架立筋 7 垂直受力筋垂直受力筋浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ v弯管段计算。该段的结构特点是顶板很厚，底板。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。内力是很困难的。浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/ 浙江水专国家精品课程浙江水专国家精品课程水电站水电站http:/
