紫荊關水電站廠房排架柱的結構設計

杜秀萍，駱紅偉

（保定市水利水電勘測設計院，河北 保定 071000）

1 工程結構設計

1.1 工程概況

紫荊關水電站位于保定市易縣境內，為引水式電站，廠房為地面式廠房，廠房及引水建筑物的級別為IV級，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值0.10g。廠房分為主廠房和毗鄰的副廠房，主廠房內布置3臺機組，總裝機容量3750kW。為了安裝和維修方便，在主廠房內安裝電動單梁式起重機1臺，最大起吊重量10t，主廠房長度42.0m，寬度9.0m，排架柱軸距6.0m。副廠房包括工具室、主控室和高、低壓配電室等，長度42m，寬度6.9m。廠房排架柱為預制混凝土矩形柱，主廠房屋蓋采用9.0m預應力雙坡屋面梁，副廠房采用預制鋼筋混凝土梁，屋面板均采用預應力大型屋面板。

1.2 荷載計算范圍和設計原則

1.2.1 排架承受荷載

排架承受荷載包括屋蓋荷載（屋蓋自重、屋面活荷載及雪荷載等）、吊車荷載（豎向荷載及橫向水平荷載）、橫向風荷載等。另外，各種荷載計算時均應采用其標準值，以便下一步的內力組合。

1.2.2 排架柱承受荷載

取柱中心兩邊相鄰排架軸距的一半（即3.0m）與外墻圍成的區域為計算單元，作用在這一單元內的荷載，完全由該平面排架承擔。另外，由于吊車荷載是移動的集中活荷載，經吊車梁傳給排架柱，不能按單元內的范圍傳力計算，應按支座反力直接作用在排架柱的牛腿上。

1.2.3 計算簡圖

由于柱下端插入杯口基礎內，且經兩次高強灌筑與基礎結成整體，因此在對橫向排架的結構計算時下部視為固定端。由于屋架與柱端是通過柱頂預埋件焊接的，屋架僅起傳遞軸力的作用，其軸力值一般不大，因此在設計時忽略其軸向變形而視屋架為剛性連桿，屋架兩端與排架柱上柱的連接為鉸接。

鑒于此水電站廠房屋頂為裝配式無檁體系，屋蓋的剛度比較大，且在廠房的兩端均設有山墻，空間作用非常小，因此在排架柱設計時，不考慮廠房的空間作用。

1.3 荷載統計

1.3.1 排架柱自重

根據排架柱的高度、吊車梁的布置和軌道安裝要求，初定排架柱為預制鋼筋混凝土矩形柱，排架柱混凝土標號C20。按實際截面尺寸可計算上柱和下柱的自重，其數值見圖1。

1.3.2 屋頂恒荷載P1、 活荷載

P7和副廠房傳給排架柱的荷載P6、P8

根據屋架的自重（28.18kN）和屋面的工程作法，計算出屋面的恒荷載和活荷載的標準值分別為2.18kN/m2和0.7kN/m2（因雪荷載小于施工活荷載，在此取施工活荷載），則可以計算出單元范圍內傳給排架柱上柱的集中荷載P1＝72.95kN，P7＝18.9kN，P6＝61.95kN，P8＝14.49kN。

1.3.3 吊車豎向荷載Dmax和Dmin

根據起重機資料，查得10t吊車的最大輪壓和最小輪壓Pmax、Pmin分別為64kN和 21.1kN，輪距2.0m，吊車寬度2.5m，起重機自重48.94kN（包括電動葫蘆）。另外根據吊車梁支座反力的影響線及吊車輪子的最不利位置（如圖1示），由公式Dmax＝Pmax×Σy，Dmin＝Pmin×Σy，可計算出由吊車梁傳給柱子的最大豎向吊車荷載Dmax與最小豎向吊車荷載Dmin分別為106.88kN和 35.24kN。

1.3.4 橫向水平力T

根據計算公式：T＝α（Q＋g）/n Tmax＝T×Σy

式中 α為系數，取0.12；n為吊車兩端的總輪數；Q為吊車的起重量；g為小車重量。

計算出每個輪子的橫向水平力：T＝3.41kN，最大的吊車橫向水平荷載Tmax＝5.70kN。

1.3.5 吊車梁及軌道的連接重P4

吊車梁自重28.2kN，軌道及連接件重量6.0kN，合計P4為34.2kN。

1.3.6 牛腿頂部的豎向力和水平力

1.3.7 風荷載q1、q2、q3和P9

作用在排架柱上的風荷載包括由墻面傳來的均布風荷載q和屋面傳來的集中風荷載P9，垂直建筑物的風荷載可按下式計算：

式中 W0為基本風壓，根據《規范》［5］查得基本風壓值為0.4kN/m2；μS為風載體型系數；根據《荷載規范》［5］對于高低跨廠房：迎風面＋0.8，背風面－0.4，高低跨排架柱的上部－0.6； μZ風壓高度變化系數，由于此廠房的高度小于10m，取1.0。

由 此 可 計 算 出 此 柱 的 均 布 風 荷 載 q1＝1.92kN/m，q2＝0.96kN/m，q3＝1.44kN/m，集中荷載為P9＝2.02kN。

1.4 控制截面的確定和荷載作用下的內力組合原則

（1）根據排架柱的受力特點分別取上柱柱底；牛腿處截面和下柱柱底（室內廠房地面下0.5m處）為排架柱配筋計算的控制截面。對于小型廠房，當吊車荷載不大時，往往是柱底截面控制下柱的配筋，同時下柱柱底截面的內力值也是設計柱基的依據。在本工程設計計算時，分別取以上3個截面為排架柱的控制截面，并計算出在各種荷載作用下截面的內力分別進行組合，求出其組合內力作為柱配筋的依據。另外由于本工程位于地震區，因此在內力計算和組合中，應包括在地震作用下控制截面的內力。

（2）對于矩形排架柱的內力組合，當采用筆算時可主要進行下列4種內力組合：①＋Mmax與相應的N；②－Mmax與相應的N；③Nmax與相應的±M（取絕對值較大者）；④Nmin與相應的±M（取絕對值較大者）。

1.5 內力計算

由于排架的內力計算和內力組合用手算比較復雜，因此在本工程設計中，采用電算方法，軟件采用中國建筑科學研究院的平面桿系結構CAD系統PMCBC，并且根據本工程的實際情況，編制計算程序（包括在地震作用下的內力計算和組合）。根據各截面的內力，經計算確定柱的配筋，考慮到其他不確定因素，在設計時采用對稱配筋，下柱兩側各布置為4準20縱筋，上柱4準16縱筋為箍筋加密區（上柱高度范圍內，牛腿處和下柱柱腳2.3m內）準8＠100，其他位置準8＠200，廠房端柱除外。

1.6 牛腿強度和柱吊裝驗算

（1）根據作用在牛腿上FVK、FHK進行截面的強度驗算和配筋計算，確定牛腿處配筋為4準16。

（2）排架柱在運輸、吊裝時的受力狀態與其在使用階段不同，在吊裝時采用翻身、綁扎單點起吊的方法，吊點設在變階處，因此必須對排架柱在柱自重作用下的彎矩最大位置處、牛腿的下部和上柱根部進行強度和裂縫寬度的校核驗算。驗算時，柱的自重采用荷載的標準值，并乘以動力系數1.5。

對于裂縫寬度（Wmax≤0.2mm）的驗算，用受拉鋼筋應力的驗算來代替。計算公式為：

式中 γ為建筑物的安全等級，由于在吊裝時柱的受力狀態系臨時性質，因此可降低一級使用，取γ＝0.9；M為吊裝驗算截面處彎矩；h0為平行于彎矩作用平面柱截面有效高度；As為吊裝時彎曲受拉鋼筋截面面積。

經計算，截面的承載力Mu＝Asfy（h0－αs）大于3個截面處的內力，在柱所配鋼筋下均能滿足受拉鋼筋應力均小于220N/mm2，因此滿足吊裝要求。

2 其他注意問題

（1）在鋼筋混凝土排架單層廠房中，不宜采用磚山墻承重，應在廠房兩端設置端排架。而且在山墻頂部與屋架相對應的高度應設置鋼筋混凝土臥梁，并與屋架端頭上部高度處的圈梁連續封閉。

（2）對于有吊車的廠房，排架柱的預埋件比較多，在設計時應仔細校對其位置和數目，避免遺漏或由于位置和尺寸的錯誤，造成吊車梁和屋面梁等構件無法安裝。

（3）為了加強結構的整體性，增強其抗震能力，在柱外側沿豎向每隔500mm留2準6鋼筋與外墻體的拉結；另外在外墻圈梁對應位置設置不小于2準12拉結筋。在電氣設計中，為了照明的需要，在柱的一定高度上要設置燈具，因此柱在預制時，要預埋電線管以便穿線，其位置和高度要與電氣設計人員相配合。

（4）在地震作用下，由于廠房角柱的柱頭處于雙向地震作用，側向變形受約束和壓彎的復雜受力狀態，其抗震強度和延性較中間排架柱頭弱，為了避免在地震中角柱頂開裂，造成柱頭折斷和端屋架塌落，因此在設計中廠房角柱的柱頭加密箍筋直徑按提高1度（即8度）配置，箍筋直徑應大于準10＠250。

（5）單層廠房的抗震驗算主要包括縱向和橫向兩個方面，如果結構在滿足規范要求的前提下，7度時的Ⅰ、Ⅱ類場地，當柱的高度不超過10m且單元的兩端均有墻的單跨廠房，可以不進行縱向和橫向的截面抗震驗算（在本工程設計中，考慮了抗震作用）。

3 結語

（1）該工程已于2003年11月底建成并投入使用，一年多時間，排架柱未見異常。

（2）排架柱配筋計算只是設計的一個方面，在構造方面亦應采取一些有效的措施，比如柱頭、上柱、牛腿及柱根等部位箍筋加密區的范圍和預埋件錨筋、埋件的焊縫和焊腳尺寸等均應滿足規范要求。

［1］SL266—2001，水電站廠房設計規范［S］.

［2］周氐.水工混凝土結構設計手冊［K］.北京：中國水利水電出版社，1999.

［2］GB50010—2002，混凝土結構設計規范［S］.

［3］GB50011—2001，建筑抗震設計規范［S］.

［4］GB50009—2001，建筑結構荷載規范［S］.