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三溪口水電站廠房排架結(jié)構(gòu)縱向布置方案的技術(shù)經(jīng)濟分析

2012-11-28 09:12:48裘華鋒
關(guān)鍵詞:柱間吊車廠房

裘華鋒

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院,浙江 杭州 310002)

1 工程概況

本工程為浙江省麗水市青田縣三溪口河床式水電站,電站裝機容量3×36.7 MW,主廠房由3個機組段和2個裝配場段組成,每個組段之間設(shè)20 mm寬變形縫,安裝場層地面以上主廠房全長99.7 m,寬24.0 m,高 24.2 m,主廠房內(nèi)設(shè)有一臺160/50/5 t、Sn=20.0 m、A3 工作制橋式起重機,軌高17.0 m,吊車最大輪壓為500 kN,每側(cè)設(shè)4個輪子,其中一個為剎車輪,輪距分別為2.3+3.9+2.3 m.

工程區(qū)域地震基本烈度小于Ⅵ度,故對本工程不進行抗震設(shè)計.

工程所在區(qū)域內(nèi)基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2(重現(xiàn)期為50 a),地面粗糙度為B類.

考慮施工工期和施工單位的施工條件及技術(shù),該工程主廠房上部結(jié)構(gòu)采用排架結(jié)構(gòu),屋蓋采用輕型鋼結(jié)構(gòu),橫向結(jié)構(gòu)的計算采用PKPM軟件中的PK程序設(shè)計,確定排架柱下柱截面為900 mm×2000 mm,上柱截面為900 mm ×1100 mm.

2 結(jié)構(gòu)平面布置方案

結(jié)構(gòu)布置重點注意事項:主廠房由于每個組段間均設(shè)有20 mm寬變形縫,且每個組段只布置三榀或四榀排架柱,故排架柱縱向很薄弱.同時排架柱在短期荷載組合情況下,柱頂縱向位移不宜超過H/4000[1],即為 4.25 mm(H 為柱下端基礎(chǔ)面到吊車梁軌頂面的高度),對縱向剛度要求很高.所以需采取措施保證縱向剛度的要求.

排架結(jié)構(gòu)縱向常規(guī)做法為每個區(qū)段內(nèi)設(shè)柱間支撐或縱向框架,其中柱間支撐是受力最直接,對縱向水平位移控制最為有效,符合常規(guī)單層工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)的縱向布置;縱向框架布置方法是水電站廠房的習(xí)慣做法,主要是由于對施工技術(shù)要求不高適合水利施工單位施工.現(xiàn)取受力最不利的三榀排架柱區(qū)段為計算單位,采用二種方案分別進行比較,方案1為柱間支撐方案,在上柱柱頂設(shè)一通長水平系桿,在柱頂至牛腿頂之間設(shè)置上段柱間支撐,支撐采用傳力直接,構(gòu)造簡單,用料較省且剛度大的單片鋼結(jié)構(gòu)十字形交叉支撐,支撐設(shè)置于排架柱截面中心位置處.在吊車梁以下至柱腳處設(shè)置下段柱間支撐,由于軌頂標(biāo)高有17 m,為保證斜桿有利的傾斜角,采用雙層交叉支撐[2],雙層支撐中間設(shè)置水平系桿,同時由于柱截面高度達到2 m,所以支撐采用雙片鋼結(jié)構(gòu)十字形交叉支撐,雙片支撐中心與排架柱截面中心位置重合,所有支撐截面根據(jù)水平力大小從《柱間支撐》05G336圖集中選取,布置見圖1和圖2.

圖1 方案1平面布置

圖2 方案1豎向布置

方案2為縱向框架方案,縱向框架布置結(jié)合建筑立面要求分別在柱頂,牛腿頂及下柱中間位置處分別設(shè)三道水平連系梁(連系梁截面見方案2豎向布置圖),連系梁外側(cè)與柱外側(cè)平,此布置偏心較大在反復(fù)荷載作用下對柱產(chǎn)生不利影響,為減小偏心對柱子產(chǎn)生的不利影響,在連系梁與柱相接處設(shè)500 mm×1000 mm水平加腋[3],布置見圖3 和圖4.

由于排架柱縱向布置工程經(jīng)驗所限,根據(jù)圖1~圖4的布置很難直接判定優(yōu)劣,因此需要進行受力性能、工程造價、施工便利、外觀造型等全方位對比分析,最終確定最安全、可靠、經(jīng)濟、合理的縱向布置方案.

3 布置方案的比較分析及選型

3.1 力學(xué)性能分析

本工程內(nèi)力分析僅考慮承受房屋端部山墻風(fēng)力、吊車縱向剎車力荷載,不考慮溫度應(yīng)力和地震作用,經(jīng)計算單列排架柱,柱頂風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值27 kN,牛腿頂風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值40 kN,吊車縱向制動力標(biāo)準(zhǔn)值50 kN.

圖3 方案2平面布置

圖4 方案2豎向布置

方案1 根據(jù)水平力大小,上柱支撐選用《柱間支撐》05G336圖集選用表中的ZCs-42-1a,下柱支撐選用ZCx-78-22,下柱雙層支撐間的水平系桿同上柱水平系桿.吊車梁頂面處縱向位移根據(jù)公式 Δ =Tdδ11/n[4]計算,經(jīng)計算縱向位移為 3.9mm(僅考慮吊車縱向制動力情況下),滿足縱向剛度要求.

方案2 縱向框架經(jīng)PKPM軟件中的PK程序計算可知吊車梁頂面處縱向位移為4.5 mm(僅考慮吊車制動力情況下),基本能滿足縱向剛度要求,同時通過內(nèi)力計算和配筋結(jié)果的分析可知排架柱縱向受力方向配筋均為最小配筋率控制.

由于柱間圍護墻上開窗面積較大、墻體偏置等原因,方案1和方案2中的內(nèi)力計算均未考慮柱間圍護墻對縱向剛度產(chǎn)生的有利影響.

3.2 經(jīng)濟性分析

為了更清楚判別二種布置方案的綜合經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo),針對二類不同縱向布置,以18~20軸之間的區(qū)段為計量單元,分別進行結(jié)構(gòu)造價估算,價格根據(jù)當(dāng)?shù)厥袌鰞r確定.鋼材綜合單價取4600元/t,混凝土綜合單價取480元/m3,模板綜合單價取35元/m2,詳見表1.從表1可見,方案2造價明顯比方案1高,高約27.0%,因此采用方案1比采用方案2明顯會節(jié)省投資,同時從方案1的用鋼量中可以看出柱間支撐用鋼量僅占總用鋼量的19.6%,結(jié)合方案2的排架柱縱向受力方向配筋均為最小配筋率控制,可以得出在每個區(qū)段內(nèi)排架榀數(shù)越多方案1節(jié)省投資也越多.

3.3 確定布置方案

從力學(xué)性能分析和工程造價角度來看,方案2無任何優(yōu)勢可言.從施工技術(shù)角度來看方案1比方案2的施工精度要求高,特別是對水利施工單位來說尤其,但考慮到廠房屋蓋采用輕鋼結(jié)構(gòu),而且委托給專業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)廠家制作和施工,所以支撐部分也可以由相應(yīng)單位制作和施工,以保證工程質(zhì)量.從施工用材和周期角度來看方案1比方案2可減少對模板和腳手架的使用量,縮短施工工期.從建筑美觀的角度來看,方案1中的墻面平整,不存在寬連系梁凸出墻面的問題,使墻面清爽不容易積灰,同時采用有規(guī)律布置的鋼結(jié)構(gòu)支撐與輕鋼屋蓋相呼應(yīng),增加了工業(yè)建筑特有的藝術(shù)性.因此,經(jīng)綜合考慮后決定采用方案1的縱向結(jié)構(gòu)布置方案.

表1 二類方案不同縱向結(jié)構(gòu)造價分析

4 施工注意事項分析

鋼結(jié)構(gòu)支撐的正確制作、安裝是實現(xiàn)設(shè)計意圖,保證連接強度,提高工程質(zhì)量的關(guān)鍵,因此在制作和安裝工作中應(yīng)注意如下問題.

(1)鋼結(jié)構(gòu)支撐預(yù)埋件需事先預(yù)埋,并應(yīng)采用可靠方法定位,在排架柱砼灌注前和灌注后以及鋼結(jié)構(gòu)支撐安裝前應(yīng)仔細核對預(yù)埋件的數(shù)量和位置是否正確,確保其符合設(shè)計要求.

(2)由于電站位于河流上周圍環(huán)境相對較潮濕,應(yīng)按設(shè)計要求對鋼支撐及預(yù)埋件表面進行嚴格的防腐、防銹處理,特別是對在現(xiàn)場進行拼接的部位和在運輸、安裝過程中對有損壞的部位.對下柱支撐直接與擋墻頂交接處應(yīng)先涂刷防銹漆后,再以C25混凝土進行包裹(保護層厚度≥50 mm),并應(yīng)使包裹的混凝土高出地面≥150 mm[5].

(3)鋼結(jié)構(gòu)支撐除應(yīng)該進行防腐、防銹處理外還應(yīng)根據(jù)建筑物耐火等級及構(gòu)件耐火時限要求進行除火涂料涂裝.

(4)鋼結(jié)構(gòu)支撐須在排架柱混凝土達到強度之后,吊車梁和鋼屋架安裝之前進行施工.

5 結(jié)語

在水電站廠房設(shè)計中縱向結(jié)構(gòu)布置經(jīng)常被看成是次要部分,不引起重視,其實縱向結(jié)構(gòu)布置關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全,特別是對縱向排架柱較少,并且有大噸位吊車的結(jié)構(gòu),因此,應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)以及荷載的不同情況設(shè)置可靠的縱向布置.本工程由于每個區(qū)段內(nèi)排架榀數(shù)較少,缺少相關(guān)的工程經(jīng)驗,因此對不同的縱向結(jié)構(gòu)布置方案進行了詳盡的技術(shù)、經(jīng)濟等方面的分析,保證了縱向結(jié)構(gòu)布置的經(jīng)濟性、安全性和合理性.

[1]水利部天津水利水電勘測設(shè)計研究院.SL266-2001水電站廠房設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2001.

[2]王文棟,殷芝霖,沙志國,等.混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[3]中國建筑科學(xué)研究院.JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[4]汪一駿,姜蘭潮,馮 東,等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊:上冊[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[5]北京鋼鐵設(shè)計研究總院.GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社出版,2003.

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