張銅生　龍志飛

摘要 三峽電站廠房屋蓋采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有整體穩(wěn)定好、剛度高、經(jīng)濟指標(biāo)好等優(yōu)點。在網(wǎng)架選型上，經(jīng)比較，推薦正放四角錐、兩邊起坡網(wǎng)架形式。網(wǎng)架支承方式，采用“上、下弦鉸支”可顯著提高廠房的整體剛度。

關(guān)鍵詞 三峽電站 廠房屋蓋形式 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

三峽水利樞紐是舉世矚目的跨世紀(jì)宏偉工程，新型的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是三峽電站廠房屋蓋的理想選擇。

采用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與原鋼衍架方案比較有以下特點：

①網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的整體性好，使縱向剛度得到提高。

②網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與上、下游墻形成一個空間結(jié)構(gòu)，在橋機垂直輪壓和橫向水平制動力作用下，廠房結(jié)構(gòu)處于空間受力狀態(tài)(桁架結(jié)構(gòu)則處于單個桁架平面內(nèi)局部受力狀態(tài))，因而可使軌頂變位減小，橫向剛度增加。

③由于縱向和橫向剛度得到加強，故改善了廠房結(jié)構(gòu)的抗震性能。

④傳力途徑簡捷，占用廠房高度小，適于大跨度、大柱距的屋蓋結(jié)構(gòu)。

⑤自重輕，網(wǎng)格不大，有利于選用較輕的屋面板材；由于屋蓋自重減輕，支承結(jié)構(gòu)費用相應(yīng)降低，經(jīng)濟指標(biāo)較好。

⑥桿件和節(jié)點定型生產(chǎn)、工廠制作，勞動生產(chǎn)率高，質(zhì)量容易保證。

⑦建筑造型輕巧美觀，可免去吊頂，便于廠房通風(fēng)。

⑧國內(nèi)已積累了豐富的制造、安裝經(jīng)驗，已建成過上百m跨度的體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和大跨度工業(yè)廠房的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

1、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選型

1.1 三峽電站廠房結(jié)構(gòu)的特點

(1)三峽工程關(guān)系到國計民生，子孫后代。因此，首先應(yīng)保證電站廠房網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全可靠。

(2)本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)只在上、下游兩邊支承(不是四邊支承)。力學(xué)上具有單向板受力性質(zhì)，橫向為主要受力構(gòu)件，縱向為次要受力構(gòu)件，屋蓋整體又要有較好剛度。

(3)吊車水平制動力特大。兩臺起重量各為12000kN/2000kN的大橋機設(shè)在下層，兩臺起重量各為1000kN/320kN的小橋機設(shè)在上層。上、下游墻要通過屋蓋體系形成整體。因此，要求水平力傳力路線簡捷合理。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式很多，根據(jù)以上特點首先排除了(a)各種抽空式網(wǎng)架，因這種結(jié)構(gòu)水平力傳力路線被截斷，不能承受大的水平力；(b)各種斜交斜放、正交斜放式網(wǎng)架，因斜交網(wǎng)架傳力路線遠而且不直接，不利于水平力的傳遞。

鑒于以上理由，我們選擇了四種網(wǎng)架形式進行對比:

方案一，兩向正交正放平行弦網(wǎng)架；

方案二，正放四角錐網(wǎng)架；

方案三，正放四角錐空間指架梁；

方案四，正放四角錐起坡網(wǎng)架。

1.2 網(wǎng)架形式的選擇

我們對四種選型方案在相同支承條件、相同屋面荷載作用下的內(nèi)力和撓度進行了比較。四種方案均采用兩側(cè)下弦鉸支，屋面荷載按5000N/m2均布荷載計算，并且將屋面均布荷載轉(zhuǎn)換成節(jié)點的集中荷載。采用空間有限元法對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進行分析計算。

網(wǎng)架桿件內(nèi)力峰值及桿件內(nèi)力分布的均勻程度，決定結(jié)構(gòu)的受力反應(yīng)優(yōu)劣及用鋼量多少；豎向撓度決定結(jié)構(gòu)的豎向剛度。因此，我們選用峰值內(nèi)力(+Pmax、-Pmax)及桿件內(nèi)力分布的均勻程度、網(wǎng)架在荷載作用下的撓度(Dzmax)三項指標(biāo)作對比。計算結(jié)果表明，正放四角錐起坡網(wǎng)架較為理想。兩邊起坡的正放四角錐網(wǎng)架平面心尺寸為36.30m×37.80m，上、下弦網(wǎng)格尺寸均為3.30m×3.15m；網(wǎng)架起坡1/15，兩側(cè)高度2.4m，中部高度3.6m(見圖1)。湖南沉陵五強溪水電站廠房網(wǎng)架也是采用正放四角錐起坡結(jié)構(gòu)形式。

圖1 廠房屋蓋推薦方案

2、網(wǎng)架廠房結(jié)構(gòu)的橫向剛度分析

2.1 方案、計算工況及網(wǎng)架支承

2.1.1 計算方案與結(jié)構(gòu)尺寸

原計算采用了三種結(jié)構(gòu)形式：一為封閉式上下實體墻結(jié)構(gòu)；二是上游為實體承重墻，下游為梁柱結(jié)構(gòu)；三是上游為實體墻，下游為墻柱混合結(jié)構(gòu)。經(jīng)三方案位移與應(yīng)力分析，專家組認(rèn)為實體墻方案對抗震有利，工程投資增加亦有限，施工簡單。最后準(zhǔn)備采用第一方案即封閉式上下實體墻結(jié)構(gòu)方案。本文計算的上下游實體墻結(jié)構(gòu)方案的結(jié)構(gòu)尺寸是1997年3月長江委設(shè)計院寄來的綜合了各專家組論證報告中的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖2所示。水輪機層至大橋機牛腿頂面(767.0 ～93.3m)上游墻厚為2.2m，下游墻厚為2.0m。大橋機牛腿頂面至網(wǎng)架下弦(V93.3～111.0m)上下墻厚度均為1.5m。在計算中考慮到發(fā)電機層(V75.3m)混凝土板的約束作用(要求發(fā)電機層樓板和風(fēng)罩結(jié)構(gòu)再適當(dāng)加厚，并與上下游墻聯(lián)成整體以增加剛度和強度)，將其簡化為水平鏈桿約束，然后對電站廠房網(wǎng)架講行整體分析。單元劃分見圖3。對墻用三維8節(jié)點線性實體單元進行模擬，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)并用三維桁架桿單元進行模擬并與三維實體單元相粘合。共劃分三維實體元2098個，節(jié)點2335個；三維指架元1224個，網(wǎng)架節(jié)點338個。

2.1.2 計算工況及荷載組合

網(wǎng)架計算只考慮運行期，不考慮施工期。

運行期上部結(jié)構(gòu)主要荷載有大橋機起吊最大部件(發(fā)電機轉(zhuǎn)子約重22000kN)時的廠房所承受的輪壓、剎車力，以及風(fēng)壓力、屋面荷載等。計算廠房側(cè)向位移時，認(rèn)為結(jié)構(gòu)自重引起的位移已經(jīng)形成，不考慮廠房墻結(jié)構(gòu)的自重影響。

荷載組合最不利的是以下兩種計算工況：

(1)當(dāng)大橋機起吊最大部件發(fā)電機轉(zhuǎn)子、小車處在機組中心線附近位置橫向移動時剎車，剎車力指向下游。

(2)大橋機運行工況及小車位置與(1)相同，但剎車力指向上游。若再考慮風(fēng)壓力，則荷載組合如下：

工況①

上游墻輪壓P=1000kN(兩臺橋機聯(lián)合起吊，每側(cè)24 輪子)；剎車力(每個輪子54.5kN，方向指向下游)。

下游墻輪壓P=900kN，作用在大橋機的吊車梁上；剎車力54.5kN(方向指向下游)。

網(wǎng)架自重網(wǎng)架頂部系均布荷載(包括屋面板，屋面活荷載、雪荷載)按5000N/m2計算，并且將屋面均布荷載轉(zhuǎn)換成網(wǎng)架節(jié)點的集中荷載。

工況②

主要荷載除剎車力方向與工況①相反外，還考慮風(fēng)壓力(按一個機組段在82～111m高程范圍內(nèi)作用有300N/m2風(fēng)荷載)，而其余荷載均與工況①相同。

2.1.3 網(wǎng)架支承情況

保證廠房結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度是一個關(guān)鍵問題。網(wǎng)架的支承情況對廠房側(cè)向剛度影響很大。為此，著重研究和比較了網(wǎng)架三種支承情況對廠房側(cè)向剛度的影響：

①上、下弦鉸支(網(wǎng)架在上弦和下弦都與墻鉸接)；

②下弦鉸支(網(wǎng)架只在下弦與墻鉸接)；

③下弦簡支(網(wǎng)架下弦有一端允許水平滑動)。

計算結(jié)果表明：“下弦鉸支”方式不能滿足廠房側(cè)向剛度的要求，“下弦簡支”情況更差，而“上、下弦鉸支”可顯著提高廠房結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

2.2 各項荷載和溫度對位移的影響

在各分項荷載作用下機組段中部位移值見表1。

(1)對結(jié)構(gòu)水平位移起第一位作用的是橫剎制動力。除個別情況外，上游墻的位移均較下游墻大，說明整體剛度上游墻要弱于下游墻。

(2)對結(jié)構(gòu)體水平位移起第二位作用的是屋面荷載及網(wǎng)架自重。水平位移是朝外的(指向廠房的外面)。上下游相對值較大，而小橋牛腿頂面上下游位移相對值(8.97mm)已經(jīng)接近水電站廠房規(guī)范限值。若采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋面計算的荷載5000N/m2是偏大的，實際位移應(yīng)比表1中計算值要小一些。

屋面荷載及網(wǎng)架自重產(chǎn)生的位移均是上游墻大于下游墻(指絕對值)，從垂直荷載方面再一次說明上游墻的整體剛度要弱于下游墻。

(3)對水平位移起第三位作用的是大橋行走時垂直輪壓及考慮溫度變化時增加的位移(溫度變化考慮溫度增加20℃及減少20℃)垂直輪壓產(chǎn)生的水平位移是朝內(nèi)的，是和屋面荷載產(chǎn)生的位移相抵消的，是有利的位移因素。

溫度變化產(chǎn)生的位移總是一種不利因素，工況②加溫度增加20℃及減少20℃，上下游墻小橋牛腿頂面均超過水電站設(shè)計規(guī)范(試行本SD335-89)10mm的限值，而此時大橋牛腿頂面上下游墻均不超過規(guī)范限值。與此同時的工況是大橋機行走，小橋機并不工作，規(guī)范限值是限定大橋牛腿頂面位移值，還是大小橋牛腿頂面位移值都限定，這點還待研究確定。

溫度變化產(chǎn)生的位移總是一種不利因素，工況②加溫度增加20℃及降低20℃時上下游墻小橋牛腿頂面均超過規(guī)范限值。

(4)對水平位移起第四位作用的是指向上游的風(fēng)壓力，而風(fēng)壓力產(chǎn)生的位移較小，影響不大，不是重要因素。

(5)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)最大撓度發(fā)生在工況②及溫度減少20°的計算工況下，其值為58.63mm，小于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的容許撓度(145.2mm)，表明本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有較好的豎向剛度。

3、校核網(wǎng)架結(jié)構(gòu)內(nèi)力

前面通過網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的選型，確定了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)式及尺寸，初步選定桿件截面大小(見表2桿件選型表)，并對每種工況下每個桿件應(yīng)力進行校核。

上弦桿件、下弦桿件、腹桿的最不利內(nèi)力分別示于表3、表4、表5。表中桿件編號見圖4。

拉桿控制應(yīng)力設(shè)計值[σ]=215N/mm²，表中均沒列出。

表3～5中：

工況①1-1 屋面荷載+大橋行走+橫剎指向上游

1-2 屋面荷載+大橋行走+橫剎指向下游

1-3 屋面荷載+大橋行走+橫剎指向上游+溫度增加20℃

1-4 屋面荷載+大橋行走+橫剎指向下游+溫度增加20℃

1-5 屋面荷載+大橋行走+橫剎指向上游+溫度減少20℃

1-6 屋面荷載+大橋行走+橫剎指向下游+溫度減少20℃

其中最不利的是工況1-4，取其數(shù)據(jù)作為工況①的代表。

工況②2-1 屋面荷載+大橋行走+風(fēng)壓指向上游+橫剎指向上游

2-2 屋面荷載+大橋行走+風(fēng)壓指向下游+橫剎指向上游

其中最不利的是工況2-1，取其數(shù)據(jù)作為工況2的代表。

工況③3-1 屋面荷載+大橋行走+風(fēng)壓指向下游+橫剎指向下游

3-2 屋面荷載+大橋行走+風(fēng)壓指向上游+橫剎指向下游

其中最不利的是工況3-1，取其數(shù)據(jù)作為工況②的代表。

(1)該結(jié)構(gòu)方案除了在計算工況②作用下的下弦桿桿件編號1(見圖4)中的兩根桿件不滿足壓桿控制應(yīng)力外，其余桿件均滿足拉、壓桿控制應(yīng)力。腹桿和下弦桿跨中桿件均有較大富裕，桿件截面厚度還可減薄，從而節(jié)約鋼材。

上述桿件編號1計算應(yīng)力超出度為0.94%，在允許范圍內(nèi)，桿件截面不需要調(diào)整。

從表3～表5可以看出，三種計算工況，所設(shè)計的桿件截面均能滿足網(wǎng)架桿件應(yīng)力的要求。

(2)不同工況網(wǎng)架桿件應(yīng)力變化均不大，即網(wǎng)架桿件應(yīng)力對廠房結(jié)構(gòu)及荷載工況不敏感，桿件應(yīng)力穩(wěn)定性好。不同工況下，弦桿的應(yīng)力變化較腹桿明顯，邊側(cè)桿的應(yīng)力變化較跨中桿件明顯，下弦桿的應(yīng)力變化較上弦桿明顯。

注：n 為下弦桿編號1-6

(n) 為上弦桿編號(1)-(6) 下弦平面下弦平面

{n} 腹桿編號{1}-{6}腹桿上弦

[n] 桿件截面類型編號[1]-[5]

圖4 桿件選型圖

4、結(jié)語

在計算、對比、分析和調(diào)研的基礎(chǔ)上，從網(wǎng)架選型、網(wǎng)架廠房結(jié)構(gòu)整體剛度分析、網(wǎng)架應(yīng)力分析等方面提出以下看法和建議。

(1)在網(wǎng)架選型方面，經(jīng)過多種形式的分析比較，最后推薦正放四角錐、兩面起坡網(wǎng)架形式。

(2)為了提高廠房結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，滿足關(guān)于位移限值的要求，著重研究和比較了網(wǎng)架三種支承方式對廠房側(cè)向剛度的影響。計算分析的結(jié)果表明：“上、下弦鉸支”方式可顯著提高廠房結(jié)構(gòu)的整體剛度，因此建議優(yōu)先采用“上、下弦鉸支”的支承方式。

(3)由于下游副廠房對下游墻的剛度起加強作用，因此廠房結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果表明，上游墻的整體剛度弱于下游墻的整體剛度。

發(fā)電機層混凝土板(775.3m)對廠房墻體起水平約束作用，實際上對墻體側(cè)向剛度起加強作用。因此，進行廠房結(jié)構(gòu)整體分析時，在上、下游墻體的75.3m高程處加設(shè)水平鏈桿約束的計算簡圖是合理的。

計算結(jié)果表明：大橋機牛腿頂面處的絕對和相對水平位移都能滿足水電站廠房關(guān)于位移限值的要求。

(4)在各項荷載和溫度變化作用下，對廠房結(jié)構(gòu)水平位移起第一位作用的是橫剎制動力，起第二位作用的是屋面荷載及網(wǎng)架自重，起第三位作用的是大橋垂直輪壓及溫度變化，起第四位作用的是風(fēng)荷載。

(5)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大撓度不超過《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》的限值，本網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有較強的豎向剛度。

(6)網(wǎng)架端部節(jié)點的水平反力所帶來的不利影響，通過加設(shè)水平支座可以達到力的平衡。

[作者簡介]

張銅生 男 清華大學(xué)土木系教授

北京市 100084

龍志飛 男 中國礦業(yè)大學(xué)副教授