水电站厂房框架—剪力墙结构的静力分析

框架-剪力墙结构将框架结构和剪力墙结合，亦称为框剪结构。此结构中剪力墙的侧向刚度远大于框架结构的侧向刚度[1]。对于水电站厂房结构，框架结构若要满足侧向刚度要求，则需加大结构截面尺寸和空间尺寸才能满足框架结构的刚度要求和布置要求，从而导致其整体结构庞大;另一方面，剪力墙结构不易形成大空间，从而为厂房设计和建设带来诸多不便[2]。框剪结构既能提供较大的使用空间，又具有较好的抗侧性能，提高抗震性能。近年来，厂房上部结构越来越多采用框剪结构，本文计算框剪结构在正常工况下的应力和应变，是否满足设计要求。

1 工程概况

某水电站工程为引水式电站，装机容量2×60.5MW。主要建筑物有溢流堰(坝)、进水口、引水压力隧洞、电站厂房及开关站等。水库最大运行水位1239.00m，引水压力隧洞长约2400m，最大设计水头780m(含水击压力)，电站厂房为地面式厂房，安装两台6喷嘴立轴冲击式水轮发电机，机组安装高程554.00m。副厂房布置在主厂房上游，主副厂房间未设置永久结构缝，主副厂房长40m，主厂房宽14.2m，副厂房宽8.0m，发电机层高程 557.95m，主机层高程 562.45m，在主机层562.45m 以上，副厂房高13.2m，共设3 层;主厂房高12.45m。

材料参数:钢筋混凝土的重度:c=25kN/m3;水泥砂浆的重度:=20kN/m3;混凝土的强度等级:C30，抗压强度标准值20.1MPa，抗拉强度标准值为2.01MPa;混凝土的弹性模量:Es=30000GPa;混凝土的泊松比:μ=0.167;钢筋的强度等级:HRB400;钢筋的强度标准值:fy=400MPa;钢筋的弹性模量:Es=20000MPa;钢筋的泊松比:μ=0.27。

结构荷载:结构及设备自重;各层楼板装修层固定荷载:发电机层为2kN/m2，其它层为1kN/m2;活荷载:屋面活荷载为5kN/m2，发电机层活荷载为50kN/m2，其它层活荷载为10kN/m2;吊车荷载:在满载情况下的最大轮压为Pmax=330kN;在满载情况下的最小轮压为Pmin=293kN。

有限元模型.厂房模型计算范围以水轮机层为基础，向下延伸1.5倍厂房高度;以厂房四周边墙为界限，向四周延伸一倍厂房高度。模型坐标系选取为顺水流为x向，指向下游为正方向，垂直水流方向为y向，指向左侧为正方向，竖直方向为z向，向上为正方向。

模型采用线性计算，故地基与混凝土单元都选Solid45单元[3]。线性计算中假定混凝土和地基材料为均质弹性、各向同性的连续体。该有限元模型中，单元多数采用8节点六面体单元，只有极个别不规则单元采用6节点五面体单元。单元大小在不同部位有所不同，在混凝土结构中，控制单元大小尺寸一般不大于100cm×100cm×100cm，距离混凝土结构较远的地基单元尺寸则逐渐放大。计算模型因主要研究厂房上部结构，所以在选取模型范围时，对下部结构在确保计算精度的同时，简化结构模型。整个模型单元总数85446个，节点数116408个，有限元计算模型。

2 计算结果分析

因为模型较大，结构的板梁很多，结构整体应力云图不能直观反映内部应力应变情况，为了清楚表达厂房内部各结构的具体情况，将厂房板梁从高程上分三个层(▽561.70m ～▽562.50m、▽566.90m ～▽567.70m 及▽570.90m～▽571.70m、▽573.65m～▽575.70m)，而厂房上下游边墙、左右侧边墙及主副厂房间的隔墙也独立出来，具体分析。因副厂房中间两层板梁的结构、配筋和荷载相同，所以板梁结构的结果云图中只给出其中一层结构的结果云图(▽570.90m～▽571.70m)。

从应力应变结果及云图分析可知:

(1)副厂房结构.副厂房梁结构最大拉应力为4.15MPa(▽566.90m～▽ 567.70m 的 X 向)，板结构最大拉应力为 3.18MPa(▽566.90m～▽567.70m的Y向);副厂房水平向位移都很小，最大值为-0.6mm(X向)，竖向最大位移 -2.9mm(副厂房顶板跨中部位)。(2)主厂房结构.主厂房梁结构出现最大拉应力为7.34MPa(发电机层的Y向)，板结构出现最大拉应力为3.45MPa(发电机层的Y向);而对于整体厂房结构，出现的7.34MPa拉应力的部位在发电机层1#机组右侧孔洞拐角，应力集中比较明显。主厂房水平向位移都很小，最大值为-0.7mm，竖向最大位移-4.9mm(屋顶板中部的跨中)。(3)边墙结构.厂房边墙结构的最大拉应力为4.90MPa(▽566.90m～▽567.70m的X向)，而其它部位未有超过1.42MPa的拉应力。其水平位移最大值为0.9mm(屋顶主梁与下游中部边墙结合处，X向)，竖向最大位移值为-1.6mm。(4)结构的第一、第三主应力.第一、第三主应力都存在个别应力集中现象，这些部位多出现在主次梁结合处、梁与边墙结合处、板与边墙的结合处。

对第一主应力:板梁结构应力集中部位的值在 5.35MPa～7.45MPa区间，个别梁的跨中主应力值在 2.19MPa～4.30MPa区间，其它部位主应力值多分布在-0.96MPa～2.19MPa区间;墙体结构应力集中部位的值在3.24MPa～4.93MPa区间，其它部位主应力值多分布在 -0.35MPa～1.93MPa区间。

对第三主应力:整个结构的应力集中部位的主应力值在-10.07MPa～ -12.65MPa，其它部位主应力值多分布在 -3.70MPa ～0.77MPa区间。

3 结论

厂房部分结构产生的最大拉应力都超过了混凝土的允许抗拉强度，需要配置受拉钢筋，未超过混凝土的允许抗拉强度的部位只需要按照结构配筋即可;主厂房出现7.34MPa拉应力的发电机层处，有应力集中存在，其它类似部位也存在不同程度集中应力，但都相对较小。

对于该结构的位移变形情况，水平向最大位移值为0.7mm，相对于竖向位移要小，所以该工况水平向位移对结构影响不大。其竖向位移最大绝对值4.9mm＜l0/250=18.7mm。符合《水工混凝土结构设计规范》中关于屋盖设计的允许挠度值的要求。

[1]李大军，晋向平.剪力墙的研究现状[J].大同职业技术学院学报，2001.6.

[2]王世夏.水工设计的理论和方法[M].北京:中国电力出版社，2000，P288 ～P306.

[3]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社，2003.

[4]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社，1999，P49 ～P68.

[5]DL/T 5057-2009，水工混凝土结构设计规范[S].北京:中华人民共和国国家能源局，2009.