喀麦隆曼维莱水电站厂房吊车梁结构设计

郭 强 刘玉玺 李永胜 包第啸

喀麦隆曼维莱水电站厂房吊车梁结构设计

郭 强 刘玉玺 李永胜 包第啸

曼维莱水电站的设计咨询为法国科音公司，咨询要求设计采用欧美标准，以厂房吊车梁结构设计为例，详细阐述了结构设计方面采用美国标准的计算方法。

厂房吊车梁 欧美标准 结构设计

1 工程概况

曼维莱水电站位于喀麦隆共和国南部大区恩特姆省境内，拦河坝位于恩特姆河上，电站采用引水径流式开发，工程的主要任务是发电，最大引水流量450 m3/s，电站总装机容量为211 MW。

发电厂房厂址位于坝址下游约4.0 km的恩特姆河左岸岸坡上，为引水式地面厂房。主厂房尺寸(长×宽×高)121.5 m×26.5 m×52.9 m，厂内选用1台单小车150/50(工作级别M4)桥式起重机，最大轮压425 kN。。

结构计算采用美国标准，见表1。

表1 采用的美国标准

2 吊车梁的型式及尺寸选择

吊车梁截面常用的有矩形、T 形和I 形等型式，根据吊车起重量、主厂房柱间距，结合水机专业钢轨及埋置钢轨附件布置要求，经过多方面论证与考虑，本电站采用T 形截面。初步拟定T 形钢筋混凝土吊车梁的梁高、翼缘宽度及腹板宽度分别是1 700、700、500 mm。根据厂房预制吊车梁平面布置图，吊车梁共3种跨度，其长度依次为：8.15、5.20、6.75 m。

3 荷载计算

3.1 主要荷载计算方法

吊车梁荷载主要包括梁自重、钢轨及附件重、轮压(考虑起吊最重件及平衡梁重量)、竖向冲击力、水平制动力、活荷载及地震荷载等。

荷载计算基本与国内规范计算方法相同，这里不再详述，仅有几个与国内规范规定不同的荷载描述如下。

3.1.1 桥机竖向荷载

按照ASCE STANDARD ASCEISEI 7-05规定，竖向荷载动力系数为1.25，国内水工规范为1.05。

3.1.2 水平制动力

水平制动力按吊车最大起重量及自重的20%计算，并均分到各个轮上。

3.1.3 活荷载

活荷载按照5 kPa考虑。

3.1.4 地震荷载

根据EM 1110-2-2200，按拟静力法计算地震惯性力，计算方法如下。

水平地震惯性力：

Feh=∑GKh

式中Feh——水平地震惯性力，kN；

Kh——水平地震加速度；

Kho=aho/g，ah=0.03g(OBE)；

KhM=ahM/g，ah=0.06g(MDE)；

∑G——自重，kN。

竖向地震惯性力按2/3 水平地震惯性力计算。

3.2 荷载组合

按ACI 318规定，荷载组合如下：

U=1.4D；
U=1.2D+1.6L+1.6Pi；
U=1.2D+1.4EOBE+1.0L+1.0Pi；
U=1.2D+1.0EMDE+1.0L+1.0Pi；

荷载分别为自重D、活荷载L、吊车荷载Pi及地震荷载E。

3.3 内力计算

根据荷载组合计算结构内力，国内外方法是一致的，因此这里不在赘述，本工程采用SAP2000计算。

4 承载能力极限状态计算

承载能力极限状态按美国规范计算，美国规范与中国规范的计算方法略有不同，不同之处按如下几个方面简述。

4.1 正截面计算

4.1.1 基本假定

美国规范假定应力—应变关系为矩形、梯形、抛物线形，极限压应变取0.003。

4.1.2 正截面计算的系数规定

中国、美国规范正截面计算时均将曲线的混凝土受压区应力分布等效为矩形分布。

4.1.3 钢筋应力计算公式

中国和美国的钢筋应力计算公式，是以混凝土达到极限压应变εcu作为构件达到承载能力极限状态标志而给出的。按平截面假定，可写出截面任意位置处的钢筋应力计算公式。

4.1.4 正截面受弯承载力计算

中美规范关于正截面受弯承载力的基本原理是一致的，但美国规范的规定较简单，主要计算公式如下。

ACI 318规定，受弯构件最小配筋面积：

式中f'c——混凝土特征强度，MPa；

fy——钢筋屈服强度，MPa；

bw——矩形截面宽度或T形截面肋宽，mm，对于翼缘处于受拉状态的T形截面,取翼缘宽度及2bw二者中的较小值；

d——截面有效高度，mm。

截面配筋面积小于最小配筋面积时，按最小配筋率进行配筋计算；如大于最小配筋面积，则截面配筋率按下式计算：

Mn——弯矩设计值，MPa；

Mu——弯矩计算值，MPa；

φ——强度折减系数。

根据本项目安装间最大跨度吊车梁的计算结果，按美国规范计算纵向钢筋面积13 566 mm2，按国内规范计算为12 505 mm2，两者计算结果差距不大。

4.2 斜截面承载力计算

对于无腹筋受弯构件受剪承载力的计算，中国、美国规范的公式都是经验公式，中国规范的计算方法相对简单，而美国规范的公式比较复杂，考虑的因素很多。

美国规范有关计算方法如下。

只配置抗剪箍筋时：

配置抗剪箍筋及弯起钢筋时：

式中Av——抗剪箍筋面积；

Ab——抗剪弯起钢筋面积；

Vu——计算剪力；

Vc——混凝土的受剪承载力；

Vs——箍筋的受剪承载力；

α——弯起钢筋的弯起角；

s——箍筋间距。

本项目计算结果，按美国规范计算Av/s=6，弯起钢筋面积2 475 mm2，按国内规范计算Av/s=4.1，弯起钢筋面积2 484 mm2，从结果可以看出，箍筋配置两国计算方法差距较大，弯起钢筋结果相近。

4.3 受扭承载力计算

中国规范考虑剪力与扭矩的相互作用计算所需抗剪和抗扭纵向钢筋和箍筋的面积，用βt反映剪扭作用下混凝土受扭承载力的降低，纵向钢筋截面面积分别由正截面受弯承载力和剪扭构件受扭承载力计算，并按所需的钢筋截面积进行配置。

美国规范规定，对于扭矩、剪力、弯矩和轴力共同作用的情况，单独计算抗扭、抗剪、抗弯和抗压所需钢筋，然后进行叠加。

美国规范有关计算方法如下：

式中Acp——混凝土横截面周长所包围的面积，mm2；

Pcp——混凝土截面外沿周长，mm；

φ——强度折减系数；

Tu—— 截面上的计算扭矩，kN·m。

抗扭箍筋的最小截面面积应按下式计算：

但不应小于0.35bw/fyt；

纵向受扭钢筋的最小总截面面积 (mm2)：

式中At/s≥0.175bw/fyt；

fyt——抗扭箍筋屈服强度，MPa；

fy——纵向抗扭钢筋屈服强度，MPa。

截面配筋面积小于最小配筋面积时，按最小配筋率进行配筋计算；如大于最小配筋面积，则截面配筋率按下式计算：

φTn≥Tu

式中θ——弯起钢筋与轴线夹角, 不应小于30°也不应大于60°；

A0——剪力流包围的总面积，mm2。

本项目计算结果，按美国规范计算At/s=0.7，纵向受扭钢筋面积3 216 mm2，按国内规范计算At/s=1.0，弯起钢筋面积4 800 mm2，从结果可以看出，箍筋配置差距较大，弯起钢筋结果相近。

5 正常使用极限状态验算

5.1 抗裂验算

中国规范的抗裂验算包括正截面抗裂验算和斜截面抗裂验算。美国规范控制钢筋间距和钢筋应力，给出了非预应力构件钢筋间距(应力)公式及上限值和预应力构件的钢筋间距(应力)限值。

5.2 裂缝宽度验算

中国规范给出了矩形、T形、倒T形和I形截面受拉、受弯和偏心受压构件的裂缝宽度计算公式。美国规范通过控制钢筋间距和钢筋应力限制裂缝。

5.3 受弯构件挠度的验算

建筑和水工规范的长期刚度是在短期刚度基础上考虑长期作用对挠度增大的影响得出的。

美国规范分两种情况验算挠度：可不进行计算和需计算的情况。对于不计算的情况，应满足最小厚度要求。对于需计算的情况应计算有效惯性距和毛截面惯性距，然后计算挠度并与限值比较。

6 结 语

中美两规范配筋计算从荷载、荷载组合、安全系数及计算公式等方面均略有不同，但原理基本一致，计算结果亦差距不大。

曼维莱水电站厂房吊车梁结构按美国规范设计，满足了法国咨询的要求并获得审批，目前工程已完工，运行良好。本文通过中美规范设计方法的对比，介绍了美国规范关于吊车梁计算的方法，希望通过本吊车梁的设计为类似国外工程的吊车梁设计提供借鉴。

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1007-6980(2017)03-0031-03

郭 强 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

刘玉玺 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

李永胜 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

包第啸 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

2017-07-05)