1、1,第十三章 水电站厂房结构设计原理,2,3,4,5,6,7,8,9,10,水电站厂房的设计程序,预可行性研究：在河流规划和地区电力负荷发展预测的基础上，对拟建电站的建设条件进行研究，该水电站在近期兴建的必要性、技术上的可行性和经济上的合理性。此阶段对厂房不进行具体设计，只选定电站的规模，初选枢纽布置和厂房型式，绘出厂房在枢纽中的位置。,可行性研究：通过方案比较选定枢纽的总体布置及其参数，决定建筑物的型式和控制尺寸，选择施工方案、进度和总布置，并编制工程投资预算，阐明工程效益。此阶段中，对厂房设计要求是根据选定机组机型、电气主接线图及主要机电设备，初步决定厂房的型式、布置及轮廓尺寸，绘出厂区及
2、厂房布置图，进行厂房稳定计算及必要的结构分析，提出厂房工程地质处理措施。,11,水电站厂房的设计程序,招标设计：对可行性研究中遗留进行必要的修改和补充，落实选定方案工程建设的技术、施工措施，提出较详细的工程图纸和分项工程的工程量，提出施工、制造与安装的工艺技术要求以及永久设备购置清单，编制招标文件。,施工详图：陆续对各项结构进行细部设计和结构计算，并拟定具体的施工方法，绘出施工详图。在此阶段，要进行厂房每个构件的细部设计和结构计算，最终确定厂房各部分尺寸。对于招标设计中的基本决定，一般不会有重大改变。,12,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,13,厂房结构一般分为3个部
3、分： 1、上部结构2、下部结构3、发电机支撑结构,一、水电站厂房的结构组成及作用,14,1、屋顶(1) 屋面板：隔热、遮阳、避风雨；由下而上：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。整体式和装配式,(一) 上部结构,15,整体式构架 立柱与横梁浇筑成一个整体。 特点： 成为刚性连接。结构刚度大，但模板工作量大、施工干扰多、养护时间长,装配式构架 屋顶横梁是预制的，在立柱浇筑完毕后将横梁吊上去安装，用螺栓将二者连接或者将二者内部钢筋焊接再进行填缝。
4、 特点：成为铰接。结构刚度小，施工中要有合用的吊装设备,二者的立柱与下部块体结构一般都做成固接,16,水电站排架所具有的特点：,厂房排架柱一般采用钢筋混凝土结构，以牛腿面为界分上柱和下柱。 (1) 承受的荷载大且种类繁多。大、中型水电站吊车容量常达数百吨，有的达数千吨。安装间荷载常为0.05 0.2 MPa ，发电机层楼板荷载一般为0.020.07 MPa。 (2) 排架柱高度较高，通常为2030m。主厂房一般为单层排架，安装间单层、多层均有。排架柱跨度一般在1025m范围内，且大多是单跨排架。,17,水电站排架所具有的特点：,(3) 排架柱的构成多采用实复柱与屋面大梁现场浇筑的整接型式。有的
5、水电站因特殊需要，屋面采用整片厚板，围护结构采用钢筋混凝土墙，由厚板、墙、柱整体浇筑构成排架。 (4) 由于水电站厂房水下结构开有各种类型的孔洞及其它布置上的原因，排架柱往往形成上、下游柱脚不同高程的不等高结构。 (5) 在施工过程中，机组的安装使排架柱处于独立承载的不利受力状态。 另外，由于水电站厂房布置各不相同，排架柱的型式、尺寸、受荷情况也不相同，设计较难标准化、定型化。,18,排架柱的荷载,19,排架柱的荷载,（一）排架柱设计荷载 作用在排架柱上的荷载分恒载和活荷载两类。 1恒载 恒载一般包括：屋面自重g1(包括防水层重、天棚重)；小柱自重G1；大柱自重G2；吊车梁自重G3(包括轨道和
6、附件重)；楼板荷载；如地面高程高出柱底高程时，在上游侧尚有填土压力或山岩压力等。,20,排架柱的荷载,2活荷载 一般包括屋面活荷载(人群荷载或雪荷载)p1，吊车竖向荷载Dmax、Dmin、横向水平制动力Tmax，风荷载p2、 p3等，温度应力和干缩应力。游水位高出柱底高程时，还有尾水压力。如厂房建在地震区还有地震荷载。 作用在排架柱上的最大竖向荷载Dmax为吊车梁作用最大轮压Pmax时的支座反力，Dmin为另一侧相应的反力，Dmax与Dmin同时产生，计算时不考虑动力系数。如吊车梁为连续结构时，可视为简支梁来计算Dmax、Dmin。,21,排架柱的荷载,横向水平制动力Tmax的计算，按下式进行
7、：荷载组合要选择可能发生的最不利情况进行组合。,22,排架柱的荷载,（二) 排架计算简图 厂房排架结构为一空间构架，但一般均简化成按纵、横两方向的平面结构分别进行计算。 由于纵向平面排架柱较多，刚度较大，荷载较小，往往可不必计算。但当厂房围护结构为砖墙，开窗面积较大，且吊车梁又是简支的情况下，应进行纵向平面排架柱的计算。 横向平面排架柱由于荷载大，刚度相对较小，为排架计算的主要内容。1计算单元 横向平面排架是由相邻柱距的中线划出一个典型区段作为一个计算单元。除吊车等移动荷载外，图中阴影线部分就是一个排架柱的受荷范围。,23,排架柱的荷载,24,排架柱的荷载,2计算简图 排架由于上、下柱截面不等
8、，为一变截面排架，其计算简图根据柱与屋面大梁、楼板和基础连接的实际情况选取。 (1) 当排架柱与屋面大梁整体浇筑时，柱与梁视为刚接；屋盖采用厚板结构时，也为刚接；当屋盖采用屋架结构时，柱与屋架视为铰接。(2) 排架柱与基础连接。排架上游柱脚一般假设固定在水轮机层块体混凝土顶部，并避开进厂钢管或蝴蝶阀坑等大孔洞。如上游墙较厚，墙柱的刚度比在1215之间时，则上游柱可假设固定在底墙顶部。当厂房下游墙为与尾水闸墩整体浇筑的厚墙时，排架下游柱脚可假设固定在尾水闸墩顶部，否则按固定在水轮机层考虑。,25,排架柱的荷载,(3) 排架柱与楼板连接。主机间发电机层楼板一般为后浇的二期混凝土，且刚度较小，楼板可
9、视为柱的铰支承。安装间楼板刚度较大，且大梁与柱均为一期混凝土整体浇筑，柱与梁可视为刚接。 (4) 计算简图中，横梁的计算工作线取截面形心线(屋架则取其下弦线)。柱取上部小柱的形心线，整个柱为一阶形变截面构件。 3计算宽度 计算排架各杆的刚度时，柱截面计算宽度的取法为：当围护结构为砖墙时，取柱宽；当围护结构为与柱整浇的混凝土墙时，取窗间净距。横杆计算宽度的取法是：当横杆为独立梁(即采用预制屋面板)时，取梁宽；当横杆为整浇肋形结构时，按T形截面梁计算刚度,26,排架柱的荷载,主机间和安装间典型排架计算简图,27,排架柱的荷载,（三） 内力计算 排架计算中，忽略杆件自身轴向变形的影响，各杆均视为刚杆
10、计算。 排架的内力计算按结构力学的一般方法进行。如果排架为对称的二阶形柱形时，可利用现成的图表计算内力；如果排架柱为不对称或杆件为变截面时，可利用专门图表查出各杆件的形常数和载常数，然后用迭代法或力法计算内力。,28,3、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。其特点是起吊容量大、工作间歇性大、操作速度缓慢、使用率低(只在机组进行安装和检修时才用)。 分为预应力钢筋混凝土吊车梁，钢结构吊车梁钢筋混凝土吊车梁在施工上可分为现浇、预制和叠合梁等形式。现浇吊车梁可分为单跨简支和多跨连续结构(在
11、厂房伸缩缝处必须分开)。预制梁大多为单跨预应力混凝土结构。吊车梁截面截面形式有矩形、T形和I字形。,29,竖向最大轮压计算简图,30,(一) 吊车梁荷载 1固定荷载：包括自重(按吊车梁实际尺寸计算)，钢轨及附件重根据厂家资料取，初估时可取1.52.0kN/m。 2移动荷载：(1) 竖向最大轮压Pmax一台吊车工作时：两台吊车工作时：式中：m一台吊车作用在一侧吊车梁上的轮子数；G吊车总重，kN； G1小车和吊具重，kN；G2最大起吊物重，kN； G3平衡梁重，kN；Lk吊车跨度，m；L1起吊最重件时，主钩至吊车轨道的最小距离，m； 在计算吊车梁时，竖向最大轮压Pmax应乘以动力系数，轻级工作制软
12、吊钩吊车动力系数为1.1。,31,（2） 横向水平刹车制动力T1 当小车沿厂房横向行驶突然刹车时，产生横向水平制动力，由大车一侧各轮平均传至轨顶，方向与轨道垂直，并考虑正反两个方向。各方向均考虑一侧吊车承受，不再乘动力系数。 当一台吊车工作时：对硬钩吊车：对软钩吊车：,32,当两台吊车工作时：对硬钩吊车：对软钩吊车：（3）纵向水平刹车力T2制动力和扭矩纵向水平刹车力T2由大车一侧制动轮传至轨顶，方向与轨道一致，其值为：式中 Pmax一侧轨道上各制动轮最大轮压之和，kN。 此外，对预制吊车梁的运输和吊装过程，自重应乘以动力系数1.5。,33,(二) 吊车梁内力计算 吊车梁的内力计算和截面设计包括
13、以下内容： (1) 承受移动竖向轮压作用的内力计算。 (2) 承受移动横向水平制动力作用的内力计算。 (3) 正、斜截面的强度计算。 (4) 扭矩计算。吊车梁受到的扭矩是由梁顶钢轨安装偏差e1(一般为2cm)和由横向水平制动力T1对截面弯曲中心的距离e2(等于h0+y0)两项组成，其中h0为轨顶到吊车梁顶的垂距，一般取20cm；y0为截面弯曲中心到截面顶面的垂距。 (5) 挠度计算。电动桥式吊车最大允许挠度：钢筋混凝土吊车梁为L0 /600；钢结构为L0 /750。(L0为吊车梁计算跨度) (6) 裂缝宽度验算和局部拉应力计算。,34,4、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
14、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。厂房楼板的特点： 形状不规则、孔洞多、荷载大、有冲击荷载等,35,楼板多采用板梁式结构，在构架上下游立柱间或构架立柱与机座间设主梁，当主梁跨度过大时，可在主梁下加设立柱； 主梁之间布置次梁； 其上支撑楼板 进行厂房平面布置时，要同时考虑梁格的布置方式，因为在各种空洞周围，如加速器、油压装置、蝴蝶阀吊孔、吊物孔、楼梯灯周围最好也布置次梁，且次梁间的楼板最好是单向板，以简化构造、方便施工。,36,5、围护结构 1）外墙。承受风荷载，并将它传给排架柱或壁柱。有砖
15、墙和钢筋混凝土墙 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。,37,1、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。2、尾水管和尾水墩墙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,38,发电机的支撑结构通常称为机座或机蹲。 作用就是将发电机支撑在预定的位置上，并给机组的安装、运行、维护、检修创造有利条件。
16、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。 常见的机座有：,(三)、发电机支撑结构,39,引水式地面厂房的下游墙最高尾水位以下部分要承受较大的水压力，必须满足防渗抗裂的要求。它常按底部固接在下部块体结构、上边自由、左右支承在尾水平台支墩上的连续板设计，因此要合理拟定尾水平台支墩净距、块体尺寸及尾水管顶板的刚度，以改善下游墙的受力状态。 上游墙及端墙一般不直接挡洪，但也可能承受地下水压力和土压力。在结构布置时，要协调上游墙及端墙与下部结构的连接方式，为外墙提供有效的支承条件，改善受力状态。,40,二、厂房的受力和
17、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。,41,混凝土重度下部块体24kN/m3上部结构25kN/m3浆砌石重度：2123kN/m3回填土重度：1618kN/m3水重：10kN/m3机电设备应计算固定的主要设备，可不考虑附属设备,42,(二) 厂房的传力系统,这是基本但粗略的传力情况
18、。某些细部结构的传力情况可能不同： 一部分砖墙及各层楼板的荷载可能直接传至上下游墙而不传给构架； 为了减小机组运行时振动对楼板上设备的影响，模板可能与机座分开，则各层楼板的荷载就不传给机座,43,三、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
19、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。,44,2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。,45,混凝土分层分块原则 1）根据厂房下部结构的特点、形状及应力情况进行分层分块，避免在应力集中、结构薄弱部位分 2）分层厚度应根据结构特点和温度控制要求确定。基础约束区一般为12m，约束区以上可适当加厚。墩、墙侧面可以散热，分层可适当厚些； 3）分块面积的大小
20、是根据混凝土的浇筑能力和温度控制要求确定。块体面积的长宽比不宜过大，一般以小于5:1为宜； 4）分层分块应考虑土建施工和设备安装的方便，例如尾水管弯管底部应单独分层，以便于模板和钢筋绑扎，又如在钢蜗壳底部以下1m左右要分层，便于钢蜗壳的安装； 5）对于可能预见到产生裂缝的薄弱部位，应布置防裂钢筋。,46,四、厂房结构的分缝和止水,47,1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缝。(2）施工
21、缝根据施工条件设置的混凝土浇筑缝(临时缝)。,48,关于分缝： 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。,49,2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(金属片、塑料片、塑料棒、黏性与无黏性材料、反滤料) ，以防止沿缝隙的渗漏，重要部位设两道止水
22、，中间设沥青井。,50,止水分为水平止水和竖向止水。 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。,51,止水铜片,止水铜片,52,止水铜片,止水铜片,止水铜片,53,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。,54,河床式厂房直接
23、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。 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需注意。,55,河床厂房稳定分析受力图,56,一、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
24、压力； （7）其它出现机会较多的荷载。,57,2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。,58,(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。,59,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
25、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。,60,2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施工情况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。河床式厂房机组未安装情况的上游水位取正常蓄水位或设
26、计洪水位，下游取相应最不利水位。坝后式和引水式厂房下游取设计洪水位。,61,4.非常运行情况河床式厂房非常运行情况时，上游取校核洪水位，下游取相应最不利水位。坝后式和引水式厂房下游取校核洪水位。5.地震情况河床式厂房地震情况时，上游取正常蓄水位，下游取最低尾水位。坝后式厂房和引水式厂房下游取满载运行尾水位。 6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。,62,二、扬压力的确定,作用于厂房基础的扬压力，按全部计算面积考虑。河床式厂房的扬压力计算图形，按（SDJ21-78,试行）混凝土重力坝设计规范补充规定来用。引水式厂房的扬压力计算图形，基础无排水设施时厂房上下游水位相同，扬压力图
27、形按浮托力确定，有排水设施时，可参照混凝土重力坝设计规范补充规定确定。,63,64,65,对岩基上混凝土坝，坝体底面扬压力分布： （1）坝基无防渗帷幕和排水孔幕时，作用于坝底面上游边缘处的扬压力为H1，下游边缘处为H2，其间用直线连接。如图(f)所示。 坝体内部扬压力系数3，对实体重力坝、拱坝取0.2，宽缝坝、大头坝取0.150.2。 坝底面和坝体内扬压力分项系数系数 ： 浮托力的作用分项系数均采用1.0； 渗透压力的作用分项系数，对实体重力坝采用1.2；宽缝重力坝、大头坝、空腹重力坝及拱坝采用1.1； 坝基下游设置抽排系统时，主排水孔之前扬压力的作用分项系数采用1.1，主排水孔之后残余扬压力
28、的作用分项系数采用1.2。,66,（2）当坝基上游设防渗帷幕和排水孔时，上游处的扬压力作用水头为H1，排水孔中心线处为H2+（H1-H2），下游（坝趾）处为H2，其间各段以直线连接。如图(a,b,c,d)所示。 （3）当坝基上游有防渗帷幕和排水孔并设下游副排水孔及抽排系统时，坝基面上游处的扬压力作用水头为H1，主副排水孔中心处的扬压力作用水头分别为1H1和2H2，下游处为H2，其间各段依次以直线连接。如图(e)所示。,67,渗透压力强度系数，对宽缝重力坝、大头坝河床段取0.2，岸坡段为0.3；对实体重力坝拱坝等,河床段取0.25，岸坡段取0.35;扬压力强度系数2取0.15-0.2；残余扬压力
29、系数2与排水强度有关，一般情况下均取0.5。坝体内部渗透压力和浮托力: 不设排水管时，其上游处为H1 ，下游为H2 ，其间直线连接。当上游面设坝体排水管时排水管中心线处为3H2 。,68,三、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。,69,(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
30、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）。,70,2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。,71,(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。,72,(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
31、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。,73,2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
32、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。,74,第三节 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。,75,块式机墩,刚机座,框架式机墩,圆筒式机墩,框架式机墩,76,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，受力情况较好，是应用最多的一种型式。但这
33、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。,77,(c) 机墩与楼板分离式连接( 1. 楼板 2. 机墩或风罩 4. 次梁),(b) 机墩与楼板简支式连接 1. 楼板 2. 机墩或风罩 3. 弹性垫层,(a) 机墩与楼板整体式连接 1. 楼板 2. 机墩或风罩,78,二、作用在机墩上的荷载及其组合,垂直静荷载A1。包括：机墩自重，发电机层楼板
34、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。,79,3、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。,二、作用在机墩上的荷载及其组合,80,4、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
35、的固定螺栓形成机墩扭矩。,二、作用在机墩上的荷载及其组合,81,二、作用在机墩上的荷载及其组合,82,荷载组合水轮发电机在运行中因机组故障等突然甩去负荷，发电机输出功率为零，此时如水轮机调速机构失灵或其他原因使导水机构不能关闭，则水轮机转速迅速升高。当输入的水流能量与转速升高时产生的机械摩擦损失能量相平衡时，转速达到某一稳定的最大值，这个转速称为水轮机的飞逸转速。,83,三、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
36、于机墩截面形心。 1、静力计算 除轴向水压力外，所有静动荷载均乘以1.31.5的动力系数。,84,圆筒式机墩结构计算简图,85,1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，当筒顶单位周长作用弯矩M时，距端顶x处截面弯矩Mx为式中函数: M 作用于圆筒顶部中心的单位周长弯矩，kN.m； R0 机墩的平均半径，m； h 圆筒的壁厚，m； 作用于距筒顶x处单位周长上的轴力: Px= P,86,2各截面的垂直应力分布 求得截面的Mx及Px后，可按偏心受压构件的计算公式求各截面的垂直应力分布：式中：Px作用在距筒顶x处单位周长上的轴力，kN； F圆筒单位周长上的受压面积，F=1h
37、，m2； C这里取h/2，m； J圆筒单位周长上的断面惯性矩；J=1h3/12 ，m4；,87,3. 扭矩及水平离心力作用下剪应力计算 (1) 扭矩作用下的剪应力正常扭矩： 短路扭矩： 式中 动力系数；r 计算点距圆筒中心的距离，m ;JP圆环截面极惯性矩，m4。其中d、D分别为计算圆环的内外直径，m；短路扭矩的冲击系数，Ta为发电机的时间因数(s)，t1=30/np(np为发电机的飞逸转速)。,88,(2) 水平离心力作用下的剪应力正常运行： 飞 逸： 式中 F圆环截面积，m2。其它同前。,89,4机墩强度校核按第三强度理论进行校核。机墩内外壁最大主拉应力按下式验算：当机组正常运行时，=x1
38、+x3；短路时，=x1+x1+x3；飞逸=x4。 式中 Rl混凝土的抗拉强度，MPa； Kh混凝土抗拉强度安全系数，按水工钢筋混凝土设计规范采用。,90,2、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。,91,动力计算的内容,1、机墩自振频率计算 垂直自振、水平横向自振和水平扭转三种自振频率,92,93,94,2、机
39、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,95,3、共振校核 求出强迫振动频率n1、n2以及自振频率n01、n02、n03后，即可进行共振校核。为避免与机墩自振频率发生共振，要求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% 。如果不能满足时，则应修改机组尺寸。,96,4、振幅计算,97,98,99,100,四、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
40、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。,101,五、风罩墙的结构计算,102,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
41、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；发电机上机架千斤顶水平推力；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。,103,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。,104,第四节 蜗壳结构计算,一、钢蜗壳外围混凝土结构计算,105,一、钢蜗壳外围混凝土结
42、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。 结构计算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。,106,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 。
43、外水压力A5。 温度影响力A6。,107,3. 荷载组合,108,4. 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,109,计算模型,蜗壳外围结构的一、二期混凝土间易形成冷缝（施工不当在施工过程中由于某种原因使前浇筑混凝土在已经初凝后，后浇筑混凝土继续浇筑，使前后混凝土链接处出现一个软弱的结合面），故形刚架截面厚度仅考虑二期混凝土的厚度。 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。 当杆件截面厚度很大，h/Ll/5时，应
44、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。,110,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。 初步估计时也可按净跨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。,111,5、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。(1) 不考虑剪切变形和结点刚性影响。形刚架的内力计算可直接利用有关
45、建筑结构计算手册图表及公式进行。(2) 考虑剪切变形和结点刚性影响。这种形刚架的内力计算。在杆件形常数和载常数计算中，需计入剪切变形和结点刚性影响，其他计算完全相同。,112,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，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。,113,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
46、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。,114,图12-14 金属蜗壳外围混凝土结构配筋图 1-水平环向构造温度筋 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,115,二、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,116,钢筋混凝土蜗壳既承受自重与上部结构传来的荷载，又承受内水压力。由于这种蜗壳过流量大、且防渗要求高、体形复杂，因此对设计施工的要求较
47、高，必须满足强度、抗渗要求。 (1) 进口段。由顶板、边墙、底部大块体结构或底板组成。当进口段横截面跨度较大时，可在跨中设中墩以改善顶板受力条件。 (2) 蜗壳段。由顶板、侧墙(左、右侧墙、下游墙)及底部大块体结构组成。顶板为螺旋形环形板，内周边为圆形，支承于水轮机座环上，外周边支承于侧墙上。蜗壳段侧墙为厚壁块体墙，其形状也为螺旋形，三个边界分别与顶板、底板及下游压力墙相接。 (3) 尾水锥体。为变厚度变高度圆筒锥体，顶端为支承水轮机座环的水平圆环，支承顶板内周边。顶板与蜗壳底板以此为界，下接尾水管直锥段。 (4) 底板。与尾水管周围混凝土连成整体，一般不予计算。,117,荷载及荷载组合 与金
48、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。,118,(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。,119,平面框架法简化模型,120,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。,121,(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。,
