三溪口水电站厂房排架结构纵向布置方案的技术经济分析

裘华锋

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 工程概况

本工程为浙江省丽水市青田县三溪口河床式水电站，电站装机容量3×36.7 MW，主厂房由3个机组段和2个装配场段组成，每个组段之间设20 mm宽变形缝，安装场层地面以上主厂房全长99.7 m，宽24.0 m，高 24.2 m，主厂房内设有一台160/50/5 t、Sn=20.0 m、A3 工作制桥式起重机，轨高17.0 m，吊车最大轮压为500 kN，每侧设4个轮子，其中一个为刹车轮，轮距分别为2.3+3.9+2.3 m.

工程区域地震基本烈度小于Ⅵ度，故对本工程不进行抗震设计.

工程所在区域内基本风压为0.30 kN/m2(重现期为50 a)，地面粗糙度为B类.

考虑施工工期和施工单位的施工条件及技术，该工程主厂房上部结构采用排架结构，屋盖采用轻型钢结构，横向结构的计算采用PKPM软件中的PK程序设计，确定排架柱下柱截面为900 mm×2000 mm，上柱截面为900 mm ×1100 mm.

2 结构平面布置方案

结构布置重点注意事项:主厂房由于每个组段间均设有20 mm宽变形缝，且每个组段只布置三榀或四榀排架柱，故排架柱纵向很薄弱.同时排架柱在短期荷载组合情况下，柱顶纵向位移不宜超过H/4000［1］，即为 4.25 mm(H 为柱下端基础面到吊车梁轨顶面的高度)，对纵向刚度要求很高.所以需采取措施保证纵向刚度的要求.

排架结构纵向常规做法为每个区段内设柱间支撑或纵向框架，其中柱间支撑是受力最直接，对纵向水平位移控制最为有效，符合常规单层工业厂房排架结构的纵向布置;纵向框架布置方法是水电站厂房的习惯做法，主要是由于对施工技术要求不高适合水利施工单位施工.现取受力最不利的三榀排架柱区段为计算单位，采用二种方案分别进行比较，方案1为柱间支撑方案，在上柱柱顶设一通长水平系杆，在柱顶至牛腿顶之间设置上段柱间支撑，支撑采用传力直接，构造简单，用料较省且刚度大的单片钢结构十字形交叉支撑，支撑设置于排架柱截面中心位置处.在吊车梁以下至柱脚处设置下段柱间支撑，由于轨顶标高有17 m，为保证斜杆有利的倾斜角，采用双层交叉支撑［2］，双层支撑中间设置水平系杆，同时由于柱截面高度达到2 m，所以支撑采用双片钢结构十字形交叉支撑，双片支撑中心与排架柱截面中心位置重合，所有支撑截面根据水平力大小从《柱间支撑》05G336图集中选取，布置见图1和图2.

图1 方案1平面布置

图2 方案1竖向布置

方案2为纵向框架方案，纵向框架布置结合建筑立面要求分别在柱顶，牛腿顶及下柱中间位置处分别设三道水平连系梁(连系梁截面见方案2竖向布置图)，连系梁外侧与柱外侧平，此布置偏心较大在反复荷载作用下对柱产生不利影响，为减小偏心对柱子产生的不利影响，在连系梁与柱相接处设500 mm×1000 mm水平加腋［3］，布置见图3 和图4.

由于排架柱纵向布置工程经验所限，根据图1～图4的布置很难直接判定优劣，因此需要进行受力性能、工程造价、施工便利、外观造型等全方位对比分析，最终确定最安全、可靠、经济、合理的纵向布置方案.

3 布置方案的比较分析及选型

3.1 力学性能分析

本工程内力分析仅考虑承受房屋端部山墙风力、吊车纵向刹车力荷载，不考虑温度应力和地震作用，经计算单列排架柱，柱顶风载标准值27 kN，牛腿顶风载标准值40 kN，吊车纵向制动力标准值50 kN.

图3 方案2平面布置

图4 方案2竖向布置

方案1 根据水平力大小，上柱支撑选用《柱间支撑》05G336图集选用表中的ZCs－42－1a，下柱支撑选用ZCx－78－22，下柱双层支撑间的水平系杆同上柱水平系杆.吊车梁顶面处纵向位移根据公式 Δ =Tdδ11/n［4］计算，经计算纵向位移为 3.9mm(仅考虑吊车纵向制动力情况下)，满足纵向刚度要求.

方案2 纵向框架经PKPM软件中的PK程序计算可知吊车梁顶面处纵向位移为4.5 mm(仅考虑吊车制动力情况下)，基本能满足纵向刚度要求，同时通过内力计算和配筋结果的分析可知排架柱纵向受力方向配筋均为最小配筋率控制.

由于柱间围护墙上开窗面积较大、墙体偏置等原因，方案1和方案2中的内力计算均未考虑柱间围护墙对纵向刚度产生的有利影响.

3.2 经济性分析

为了更清楚判别二种布置方案的综合经济技术指标，针对二类不同纵向布置，以18～20轴之间的区段为计量单元，分别进行结构造价估算，价格根据当地市场价确定.钢材综合单价取4600元/t，混凝土综合单价取480元/m3，模板综合单价取35元/m2，详见表1.从表1可见，方案2造价明显比方案1高，高约27.0%，因此采用方案1比采用方案2明显会节省投资，同时从方案1的用钢量中可以看出柱间支撑用钢量仅占总用钢量的19.6%，结合方案2的排架柱纵向受力方向配筋均为最小配筋率控制，可以得出在每个区段内排架榀数越多方案1节省投资也越多.

3.3 确定布置方案

从力学性能分析和工程造价角度来看，方案2无任何优势可言.从施工技术角度来看方案1比方案2的施工精度要求高，特别是对水利施工单位来说尤其，但考虑到厂房屋盖采用轻钢结构，而且委托给专业的钢结构厂家制作和施工，所以支撑部分也可以由相应单位制作和施工，以保证工程质量.从施工用材和周期角度来看方案1比方案2可减少对模板和脚手架的使用量，缩短施工工期.从建筑美观的角度来看，方案1中的墙面平整，不存在宽连系梁凸出墙面的问题，使墙面清爽不容易积灰，同时采用有规律布置的钢结构支撑与轻钢屋盖相呼应，增加了工业建筑特有的艺术性.因此，经综合考虑后决定采用方案1的纵向结构布置方案.

表1 二类方案不同纵向结构造价分析

4 施工注意事项分析

钢结构支撑的正确制作、安装是实现设计意图，保证连接强度，提高工程质量的关键，因此在制作和安装工作中应注意如下问题.

(1)钢结构支撑预埋件需事先预埋，并应采用可靠方法定位，在排架柱砼灌注前和灌注后以及钢结构支撑安装前应仔细核对预埋件的数量和位置是否正确，确保其符合设计要求.

(2)由于电站位于河流上周围环境相对较潮湿，应按设计要求对钢支撑及预埋件表面进行严格的防腐、防锈处理，特别是对在现场进行拼接的部位和在运输、安装过程中对有损坏的部位.对下柱支撑直接与挡墙顶交接处应先涂刷防锈漆后，再以C25混凝土进行包裹(保护层厚度≥50 mm)，并应使包裹的混凝土高出地面≥150 mm［5］.

(3)钢结构支撑除应该进行防腐、防锈处理外还应根据建筑物耐火等级及构件耐火时限要求进行除火涂料涂装.

(4)钢结构支撑须在排架柱混凝土达到强度之后，吊车梁和钢屋架安装之前进行施工.

5 结语

在水电站厂房设计中纵向结构布置经常被看成是次要部分，不引起重视，其实纵向结构布置关系到整个结构的稳定和安全，特别是对纵向排架柱较少，并且有大吨位吊车的结构，因此，应根据结构以及荷载的不同情况设置可靠的纵向布置.本工程由于每个区段内排架榀数较少，缺少相关的工程经验，因此对不同的纵向结构布置方案进行了详尽的技术、经济等方面的分析，保证了纵向结构布置的经济性、安全性和合理性.

［1］水利部天津水利水电勘测设计研究院.SL266－2001水电站厂房设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.

［2］王文栋，殷芝霖，沙志国，等.混凝土结构构造手册［M］.3版.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［3］中国建筑科学研究院.JGJ3－2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［4］汪一骏，姜兰潮，冯 东，等.钢结构设计手册:上册［M］.3版.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［5］北京钢铁设计研究总院.GB50017－2003钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社出版，2003.