水電站廠房上部結構選型概述

沈躍其 鄭建軍

(1.平湖市廣陳鎮農技水利服務中心，浙江平湖 314207; 2.金華市婺城區烏溪江引水工程管理處，浙江金華 321075)

1 工程基本概況

龍開口水電站位于云南省鶴慶縣中江鄉境內的金沙江中游河段上，是規劃中金沙江中游河段8個梯級電站的第6級電站，上接金安橋水電站，下鄰魯地拉水電站。龍開口水電站廠房為壩后式地面廠房，布置在右岸臺地上，裝機5臺，單機容量為360 MW，主廠房由右至左為安裝場和機組段，其尺寸(發電機層平面):安裝場長66 m，機組段長4×33+39=171 m，主廠房總長237 m，主廠房橋機跨度為30m。大壩的抗震設防烈度為9度;廠房結構的抗震設防烈度為8度。

2 結構型式比較方案擬定

龍開口水電站地處8度地震區，電站機組規模較大，廠房單機組段長33 m，發電機層以上寬36.5 m，上部空間較大，結構相對單薄。廠房上部結構除滿足各種工況下的運行要求外，尚應具備良好的抗震性能。

2.1 廠房上部結構型式比較方案擬定

龍開口廠房地震設計烈度8度，主廠房寬度36.5 m，考慮到網架結構較之鋼屋架，空間剛度大，具有良好的抗震性能，參照同類規模相近工程的經驗，廠房屋面結構型式推薦采用鋼網架。

根據目前已建、在建相似規模工程的類比，結合主廠房上下游側可行的結構型式(梁柱或實體墻)，廠房上部結構型式擬定三個方案。

1)實體墻方案。

廠房上部主要受力結構由實體墻、吊車牛腿、網架屋面系統組成。吊車牛腿以下上下游均采用實體墻，墻厚2.0 m。牛腿以上上下游各布置4榀小柱，小柱斷面尺寸為2.0 m×1.5 m(高×寬，注:下同)，柱頂設有聯系梁。

2)墻柱方案。

廠房上游采用實體墻，下游為立柱。上游墻及吊車牛腿以上小柱結構布置及尺寸同墻墻方案，下游側牛腿以下亦布置4榀立柱，下游大柱的斷面尺寸為3.0 m×1.5 m。

3)排架柱案。

廠房上部主要受力結構由立柱、吊車梁、網架屋面系統組成，上下游各布置4榀排架柱，牛腿以下立柱斷面尺寸為3.0 m×1.5 mm，牛腿以上結構布置和尺寸同墻墻方案。

上述各方案屋面采用網架結構，網架與墻(柱)結構的連接方式對二者的應力和位移影響較大。由于廠房跨度大，溫度變化及荷載作用下，網架將產生較大變形。若網架與墻(柱)固定鉸接，完全限制相對水平位移，對排架結構有利，但是網架結構應力偏大，將大幅度增加網架構件的斷面尺寸。為了適應屋面結構變形、傳遞水平力的要求，網架與墻(柱)之間需允許有一定數值的相對位移。由于支座型式不影響上部結構研究的結論，為了結構安全，并留有適當的余度，本課題初步選用板式橡膠支座。下階段結合屋面結構設計，對支座型式進行深入研究。根據本工程結構受力特點參照三峽研究成果，擬采用正方四角錐鋼網架，焊接球節點，下鉉支承。

2.2 結構應力、位移分析的結果

廠房結構長期處于運行狀態下，地震工況下結構的受力狀態是本專題關注的重點，故在方案比較時僅對正常運行、校核洪水、和地震工況下的結構應力、位移進行分析、比較。

結構計算模型取一個完整的中間機組段作為一個受力單元。

由于水電站廠壩結構的復雜性，數值計算采用有限單元法進行。選擇大型通用的結構分析商業軟件ANSYS，該計算軟件可進行線彈性及非線性結構分析、熱分析、電磁分析、流體分析及耦合場分析等各種不同類型的計算，計算精度高，具有較強大的前后處理能力。計算的通用性和可靠性較好，計算結果具有良好的可信度。

廠房上部結構不論采用何種型式，由于結構單薄，其工程量占主體工程的比重均很低，盡管各方案的混凝土工程量略有差別，但對工程投資影響很小。

在本工程實例中，通過分析計算，墻墻方案結構布置靈活，較其他方案布置適應性好。三個方案結構位移和應力均基本滿足設計要求，部分工況結構位移較大，只需對結構尺寸進行微調，即可滿足運行要求。柱柱方案結構單薄，抗扭剛度小，較其他方案靜力工況的結構位移和地震工況的結構拉應力為最大，柱柱方案為滿足部分工況結構位移的要求而對柱子斷面尺寸進行調整，由于廠房運行有一定凈空的需要，使得廠房上部總寬度尺寸有所增加。墻柱方案上下游側結構縱向剛度不對稱，縱向位移差異大，扭轉作用明顯，對結構抗震較為不利。考慮到本工程地震烈度高，墻墻方案結構對稱，剛度大，抗震性能明顯好于其他兩個方案，優勢明顯。尤其是邊機組段邊墻較厚，其地震慣性力對排架結構的應力影響較大，墻墻方案上游墻體和邊墻結構協調，可減小因地震慣性力引起的扭矩，在很大程度上改善了結構的受力條件。綜上分析，推薦采用墻墻方案。

3 結語

合理選擇上部結構型式對電站安全運行至關重要，為此需進行上部結構抗震分析。必須通過數值分析，全面了解各可行結構布置方案結構的應力、應變。在此基礎上，結合工程類比，優選廠房上部結構型式、尺寸和結構措施，滿足高地震區廠房結構的運 行要求。