劉 杰，王寶忠

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

水電站廠房圓筒式機墩的主要設計依據(jù)是SL 266-2014《水電站廠房設計規(guī)范》[1]及NB 35011-2016《水電站廠房設計規(guī)范》[2]，分別對應水利行業(yè)和電力行業(yè)的工程項目。在以往的水電站廠房圓筒式機墩結構設計中，除了上述規(guī)范，必備的參考書還有《水工設計手冊（第2 版）第8 卷水電站建筑物》[3]（以下簡稱設計手冊）《水電站廠房設計》[4]《小型水電站：中冊（廠房部分）》[5]等。以上參考書除了給出機墩設計原則與方法，還給出了算例，這對于廠房設計人員有很重要的參考價值。但在實際設計中，也發(fā)現(xiàn)了一些容易出錯、值得討論的問題。

1 發(fā)電機的支承方式分析

在圓筒式機墩結構設計中，發(fā)電機的支承方式直接影響作用在機墩上的荷載大小和部位。懸式發(fā)電機，靜荷載和動荷載都是通過上部推力軸承傳至上機架，再通過定子基礎板傳給機墩。而傘式發(fā)電機，靜荷載通過定子基礎傳給機墩，動荷載則由下機架傳給機墩。還有一種將推力軸承安裝在水輪機頂蓋的傘式發(fā)電機，靜荷載由定子基礎傳給機墩，動荷載通過水輪機頂蓋傳給水輪機固定導葉座環(huán)。不同的發(fā)電機支承方式，傳給機墩的荷載位置及大小完全不同。

在設計單位，一般由水機專業(yè)將主機廠家的機組資料直接提供給廠房專業(yè)，因?qū)I(yè)不同，水機專業(yè)對于機組的傳力方式并不熟悉，如果直接照著所提基礎荷載資料計算，可能會有疏漏。為避免發(fā)生這種情況，往往廠房專業(yè)設計人員會直接與發(fā)電機及水輪機的設計人員直接聯(lián)系，充分溝通，了解清楚發(fā)電機的支承方式，分清發(fā)電機基礎荷載中都包含了哪些荷載，是屬于靜荷載還是動荷載。正確選擇荷載是保證計算準確的第一步。

2 靜力計算荷載組合的選擇

SL 266-2014 規(guī)定的機墩靜力計算的荷載效應組合見表1。NB 35011-2016 中機墩上的作用及作用組合見表2。

表1 機墩荷載效應組合表

對比表1，2 可以看出：機墩的承載能力極限狀態(tài)設計，機組飛逸工況在NB 35011-2016中屬于荷載基本組合，而在SL 266-2014中則為偶然組合；機墩的正常使用極限狀態(tài)設計，NB 35011-2016 包含正常運行及機組飛逸工況，而SL 266-2014 只有正常運行工況；在荷載組合上，NB 35011-2016 有溫度荷載，而SL 266-2014 則不計溫度荷載。2 個規(guī)范中的這些不同，在機墩設計中要注意區(qū)分。另外，兩規(guī)范均無地震工況。在從機組基礎荷載資料中選用荷載時，要對應表格中的計算工況正確選擇對應的荷載。

表2 機墩上的作用及作用組合

3 靜力計算的基本假定

依據(jù)設計手冊和《水電站廠房設計》，圓筒式機墩靜力計算有幾個主要的基本假定。

1）不論機墩頂部的風罩與發(fā)電機層樓板采用何種連接方式，計算中均假定圓筒頂部為自由端，底部固結于蝸殼頂板，不考慮蝸殼頂板的變形。

此條假定不考慮蝸殼頂板變形，只是針對機墩的靜力計算，但在動力計算中的垂直振幅是要考慮蝸殼頂板變形的。

2）機墩頂部的樓板荷載、風罩自重及機組設備荷載均假定為均布，換算為沿圓筒中心圓周上單位寬度的荷載，如圖1 所示。圖中h 為圓筒式機墩的壁厚，H0為機墩高度，r0為圓筒式機墩中心圓周半徑，P0和M0為各種豎向荷載經(jīng)過換算后所得的合力及合彎矩。

圖1 圓筒式機墩計算簡圖

此條假定運用在實際計算過程時，即在將豎向荷載向圓筒中心圓周上的單位寬度荷載換算應額外注意，避免出錯。 Pi等于各豎向荷載除以圓筒中心周長，ei為各豎向荷載相對于圓筒中心圓周的偏心距。以風罩自重為例，假定風罩自重為G1，圓筒中心半徑即機墩底部截面的中心至機組中心線的距離為r0，風罩自重的作用點距離圓筒截面中心距離為e1，則將風罩自重換算為圓筒中心周長上的單寬荷載后，其值為P1=G1/ 2πr0，而風罩自重對機墩底部截面產(chǎn)生的彎矩M1=P1e1，依次類推，將作用在機墩上的所有豎向荷載都換算為沿圓筒中心圓周上單位寬度的Pi和Mi，最后求和后得到一個合力和一個合彎矩，即

3）垂直動荷載應乘動力系數(shù)，但軸向水推力不乘動力系數(shù)。此條假定里的垂直動荷載包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子連軸重、勵磁機轉(zhuǎn)子重、水輪機轉(zhuǎn)輪連軸重及軸向水推力。在進行機墩承載能力極限狀態(tài)設計時，應使用荷載的設計值，而對除軸向水推力以外的動荷載，其荷載設計值等于荷載的標準值乘以荷載分項系數(shù)、動力系數(shù)及材料疲勞系數(shù)。當進行正常使用極限狀態(tài)設計時，所有荷載均應采用標準值，動荷載不乘以任何系數(shù)。

4）扭矩產(chǎn)生的剪應力按兩端受扭的圓筒受扭公式計算。此條假定明確了剪應力的計算公式。在設計手冊及《水電站廠房設計》中都分別給出了扭矩作用下的機墩環(huán)向剪應力公式，以及離心力作用下的環(huán)向剪應力公式。需要注意的是，在進行承載力能力極限狀態(tài)設計時，公式分子除代入扭矩或離心力的設計值外，還需要乘以動力系數(shù)及材料疲勞系數(shù)。進行正常使用極限狀態(tài)設計時，只需代入荷載的標準值。

4 垂直正應力計算

當進行承載能力極限狀態(tài)設計時，圓筒式機墩計算截面的垂直正應力計算公式：

式中：σ——計算截面的垂直正應力，N/m2；P——單位寬度垂直均布荷載設計值，N；A——單位寬度截面積，m2；Mx——作用于計算截面上的彎矩設計值，N·m；c——計算截面上的應力計算點到截面形心軸的距離，m；I ——計算截面慣性矩，I=bh3/12，m4，b 為單位寬度，取1 m，h 為計算截面機墩壁厚，m。

式中的Mx按兩種情況分別取值：1）當圓筒高度H0＜π/β（β 為計算參數(shù)）時，按上端自由、下端固定的偏心受壓柱計算，Mx=M0，對于上端自由、下端固定的偏心受壓柱底部內(nèi)力最大，故計算截面就是機墩底部截面，其彎矩即為M0；2）當圓筒高度H0≥π/β 時，按整體薄壁長圓筒計算，距離圓筒頂部x 處截面的彎矩Mx的計算公式：

式中：r0——圓筒式機墩中心圓周半徑，m；h——圓筒式機墩的壁厚，m；μ ——混凝土的泊松比；x——計算截面至圓筒頂部的距離，m。

彎矩Mx計算公式實際是在筒頂彎矩M0前乘了一個小于1的系數(shù)，這個系數(shù)即函數(shù)φ(βx)的值。當x 越大，即離筒頂越遠，函數(shù)值越小，則Mx越小，甚至改變正負號，這說明當圓筒頂承受彎矩M0時，僅在頂端較近處影響較大，離頂端較遠幾乎不發(fā)生影響，其應力分布接近于平均應力（σ= P/A）。

從上述兩種情況可見，在機墩結構垂直正應力計算中，要先計算判別圓筒高度H0與π/β 的大小關系，以便選擇正確的彎矩計算公式。

當進行正常使用極限狀態(tài)設計時，只需將圓筒式機墩計算截面的垂直正應力計算公式中代入荷載的標準值即可。

5 機墩強度校核

當進行承載能力極限狀態(tài)設計時，圓筒式機墩在選取計算截面求得其軸力及彎矩后，利用偏心受壓公式計算得到該截面的垂直正應力，再利用圓筒受扭公式計算得到該截面的剪應力，最后利用第三強度理論進行強度校核。計算公式：

式中：σzl——主拉應力設計值，N/mm2；σx——機墩內(nèi)外壁計算點的正應力設計值，N/mm2；τ——機墩內(nèi)外壁計算點的剪應力設計值，N/mm2；ft——混凝土軸心抗拉強度設計值，N/mm2；γd——若執(zhí)行NB 35011-2016，這里代入素混凝土結構受拉破壞結構系數(shù)，取2.0，若執(zhí)行SL 266-2014，則應代入相應荷載組合下按受拉承載力計算的素混凝土受壓構件的承載力安全系數(shù)K 。

當進行機墩的正常使用極限狀態(tài)驗算時，SL 266-2014 和NB 35011-2016 中均未給出機墩的允許最大裂縫寬度。根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》第3.4.1 條混凝土結構構件應根據(jù)其使用功能及外觀要求進行正常使用極限狀態(tài)驗算，其中第2 款，“對不允許出現(xiàn)裂縫的構件，應進行混凝土拉應力驗算”；第3.4.4 條“一般要求不出現(xiàn)裂縫的構件，按荷載標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土拉應力不應大于混凝土抗拉強度的標準值”。結合參考書中給出的算例，計算思路都是判別機墩主拉應力是否超過混凝抗拉強度，故認為機墩的正常使用極限狀態(tài)驗算也應按此判別。將機墩看作是一般不允許出現(xiàn)裂縫的構件，按荷載標準組合計算時，構件受拉邊緣混凝土拉應力不應大于混凝土抗拉強度的標準值。在上述主拉應力計算公式中，應力值采用標準值，其主拉應力不應大于混凝土抗拉強度的標準值。當主拉應力驗算結果不滿足要求時，應加大機墩的截面尺寸。

此外，直接承受集中荷載的支座應驗算局部承壓強度并配置鋼筋網(wǎng)，即機墩的定子基礎、下機架基礎等需要復核局部承壓承載力。

6 機墩的構造要求

設計手冊中給出了機墩的構造要求：“圓筒式機墩宜采用變形鋼筋，應滿足最小配筋率要求，且豎向鋼筋直徑不小于16 mm、間距不宜大于250 mm，環(huán)向鋼筋直徑不小于12 mm、間距不宜大于250 mm。對孔口部位，應適當配置加強鋼筋。”故認為在進行機墩強度校核時，主拉應力與混凝土抗拉強度比較時，是按素混凝土結構受拉破壞來考慮的，即機墩滿足素混凝土結構的構造配筋即可。若按鋼筋混凝土結構設計，則應滿足鋼筋混凝土結構的最小配筋率。

綜上所述，機墩是水輪發(fā)電機組重要的支承結構，機墩的靜力計算是驗算其承載能力和正常使用功能是否能滿足規(guī)范要求，其計算結果直接影響機墩的截面尺寸，在設計計算中應充分考慮以上6 個方面需要注意的問題，以保證計算的準確性。