吊车荷载计算[共43页]

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1、第十三章 水电站厂房结构分析水电站厂房结构设计的内容包括整体稳定分析、地基应力校核、构件的强度和稳定计算。第一节 水电站厂房的结构特点一、水电站厂房的结构组成及作用水电站地面厂房结构可分为上部结构和下部结构两大部分。上部结构包括屋面系统、构架、吊车梁、围护结构(外墙)及楼板，基本上属板、梁、柱系统，通常为钢筋混凝土结构。上部结构设计方法与一般工业建筑相同；下部结构主要由机墩、蜗壳、尾水管、基础板和外墙组成，为大体积水工钢筋混凝土结构，其结构设计比较复杂，要符合水工钢筋混凝土规范。水电站厂房结构组成如图12-1 所示。各组成构件的作用如下：图12-1水电站厂房结构组成1屋盖结构 起着围护和承重等

2、双重作用，包括： (1) 屋面板。它直接承受屋面荷载，如风、雨、雪和自重等，并将它们传给屋架或屋面大梁。 (2) 屋架或屋面大梁。它承受屋盖上的全部荷载（包括风、雨、雪和屋面板等）及屋架或屋面大梁自重，传到排架柱或壁柱上。 2吊车梁 承受吊车荷载（包括起吊部件在厂房内部运行时的移动集中垂直荷载），以及吊车在起重部件时，启动或制动时产生的纵、横向水平制动荷载，并将它们传给排架柱或壁柱。 3排架柱或壁柱 承受屋架或屋面大梁、吊车梁、外墙传来的荷载和排架柱或壁柱自重，并将它们传给厂房下部结构的大体积混凝土。4发电机层和安装间楼板发电机层楼板承受着自重、机电设备静荷载和人的活荷载，传给梁并部分传到厂房

3、下部结构的发电机机墩和水轮机层的排架柱。安装间楼板承受自重、检修或安装时机组荷载和活荷载，传到基础，当安装间没有下层时就传给排架柱。 5围护结构 (1) 外墙。承受风荷载，并将它传给排架柱或壁柱。 (2) 抗风柱。承受厂房两端山墙传来的风荷载，并将它传给屋架或屋面大梁和基础或厂房下部结构的大体积块体混凝土。(3) 圈梁和连系梁。承受梁上砖墙传下的荷载和自重，并传给排架柱或壁柱。6发电机机墩承受从发电机层楼板传来的荷载和水轮发电机组等设备重量、水轮机轴向水压力和机墩自重，并将它们传给座环和蜗壳外围混凝土上。7蜗壳和水轮机座环（固定导叶） 将机墩传下来的荷载通过座环传到尾水管上，另外水轮机层的设备

4、重量和活荷载通过蜗壳顶板也传到尾水管上。 8尾水管承受水轮机座环和蜗壳顶板传来的荷载，经尾水管框架（尾水管顶板、闸墩、边墩和底板构成的）结构再传到基础上。二、厂房的受力和传力(一) 厂房主要荷载(1) 厂房结构自重，压力水管、蜗壳及尾水管内水重；(2) 厂房内机电设备自重，机组运转时的动荷载；(3) 静水压力：尾水压力，基底扬压力，压力水管、蜗壳及尾水管内的水压力，永久缝内的水压力，河床式厂房的上游水压力；(4) 厂房四周的土压力；(5) 活荷载：吊车运输荷载，人群荷载及运输工具荷载；(6) 温度荷载；(7) 风荷载；(8) 雪荷载；(9) 严寒地区的冰压力； (10) 地震力。厂房在施工安装

5、期、运转期和检修期的荷载是不同的。在结构计算中应根据厂房在不同工作条件下可能同时发生的荷载进行组合，并取最不利的组合作为设计的控制情况。(二) 厂房的传力途径作用于厂房的各种静、动荷载，通过各承重构件的传力途径如下：三、厂房混凝土浇筑的分期和分块1. 厂房混凝土浇筑的分期由于机组到货一般均迟于土建的施工期，为了适应水轮发电机组的安装要求，厂房中的混凝土需要分期浇筑，称为一期和二期混凝土。一期混凝土包括底板、尾水管扩散段、尾水闸墩、尾水平台、上下游边墙、厂房构架、吊车梁、部分楼板等，在施工时先期浇筑，以便利用吊车进行机组安装。二期混凝土是为了机组安装和埋件需要而预留的，要等到机组和有关设备到货后

6、、尾水管圆锥钢板内衬和金属蜗壳安装完毕后，再进行浇筑。二期混凝土包括蜗壳外围混凝土、尾水管直锥段外包混凝土、机墩、发电机风罩外壁、部分楼层的楼板。 2混凝土浇筑分层、分块水电站厂房水下部分的混凝土属于大体积块体混凝土。其特点是现场浇筑量大，结构几何形状复杂，基础高差大，对裂缝要求严格。由于受混凝土浇筑能力的限制和为了适应厂房形状的变化，因此每期混凝土要分层分块浇筑。厂房一、二期混凝土的浇筑分层、分块，视具体情况而定，一般原则如下：(1) 分层、分块必须保证机组安装方便；(2) 应分在构件内力最小部位，这常与施工方便有矛盾，不易做到；(3) 分块的大小应与混凝土的生产能力、震捣工作强度及浇筑方法

7、相适应；(4) 在保证质量的前提下，混凝土分块尽量大些高些，以加快施工进度；(5) 分块必须尽量使工作过程具有最大的重复性，以简化施工和重复利用模板。同时最有效地利用机械设备。图12-2表示了厂房混凝土浇筑的分期和分块，图中数字“”、“”分别代表一、二期混凝土，其下标序数说明浇筑的先后次序。四、 厂房结构的分缝和止水1分缝水电站厂房为防止不均匀沉陷，减小下部结构受基础约束产生的温度和干缩应力，必须沿厂房长度方向设置伸缩缝和沉降缝，如图12-3所示。通常两缝合一，称为沉降伸缩缝。此种缝一般都是贯通至地基，只在地基相当好时，伸缩缝才仅设在水上部分，但也需每隔数道伸缩缝设一道贯通地基的沉降伸缩缝。伸

8、缩缝和沉降缝统称为永久缝；根据施工条件设置的混凝土浇筑缝，称为施工缝，是一种临时缝。图12-2厂房混凝土分期分块图图12-3主副厂房、安装间、尾水平台间的分缝岩基上大型厂房通常一台机组段设一永久缝，中小型水电站可增至23台机组设一条永久缝。在安装间与主机房之间、主副厂房高低跨分界处，由于荷载悬殊，需设沉降缝。坝后式厂房的厂坝之间常沿整个厂房的上游外侧设一条贯通地基的纵缝。永久缝的宽度一般为12cm，软基上可宽一些，但不超过6cm。2止水厂房水上部分的永久缝中常填充一定弹性的防渗、防水材料，以防止在施工或运行中被泥沙或杂物填死和风雨对厂房内部的侵袭。厂房水下部的永久缝应设置止水，以防止沿缝隙的渗

9、漏，重要部位设两道止水，中间设沥青井。止水布置主要取决于厂房类型、结构特点、地基特性等，应采用可靠、耐久而经济的止水型式。第二节 厂房整体稳定及地基应力厂房整体稳定和地基应力计算的内容一般包括沿地基面的抗滑稳定、抗浮稳定和厂基面垂直正应力计算。河床式厂房本身是挡水建筑物，厂房地基内部存在软弱层面时，还应进行深层抗滑稳定计算。厂房在运行、施工和检修期间，在抗滑、抗倾与抗浮方面必须有足够的安全系数，以保证厂房的整体稳定性。厂房地基应力必须满足承载能力的要求，不允许发生有害的不均匀沉陷。河床式厂房直接承受上游水压力，在确定地下轮廓线、校核整体稳定性和地基应力时，基本原则与混凝土重力坝及水闸相似。但因

10、厂房机电设备多，结构形状复杂，故必须以两个永久缝之间或一个机组段长度为计算单元，进行稳定分析和地基应力计算时，不能取单宽进行计算。厂房有大量的二期混凝土，并可能有分期安装问题，故在机组安装前后荷载变化较大，确定荷载与荷载组合时也有其特点。一、荷载及其组合(一) 荷载作用在水电站厂房上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类。1基本荷载：厂房结构及永久设备自重；回填土石重；正常蓄水位或设计洪水位情况下的静水压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的扬压力；相应于正常蓄水位或设计洪水位情况下的浪压力；淤沙压力；土压力；冰压力；其它出现机会较多的荷载。2特殊荷载：校核洪水位或检修水位情况下的静水压力；相应

11、于校核洪水位或检修水位情况下的扬压力；相应于校核洪水位或检修水位情况下的浪压力；地震力；其它出现机会较少的荷载。作用在厂房上的静水压力应根据厂房在不同的运行工况下的上、下游水位确定。(二) 荷载组合厂房整体稳定分析的荷载组合可按表12-1规定采用。厂房稳定和地基应力计算要考虑厂房施工、运行和扩大检修期的各种不利情况。1正常运行对河床厂房来说，a1组合情况下厂房承受的水头最大；a2组合情况下扬压力最大，对稳定不利。对坝后式厂房和引水式厂房来说，引起稳定问题的水平荷载为下游水压力，因此正常运行情况中取下游设计洪水位进行组合。表12-1 厂房整体稳定分析的荷载组合荷载组合计算情况水 位 选 取荷 载

12、 类 别附注结构自重永久设备重回填土石重水重静水压力扬压力浪压力泥沙压力土压力冰压力地震力基本组合正常运行a1上游正常蓄水位和下游最低水位a2上游设计洪水位和下游相应水位b下游设计洪水位特殊组合机组检修a上游正常蓄水位和下游检修水位b下游检修水位机组未安装a上游正常蓄水位或设计洪水位和下游相应水位b下游设计洪水位非常运行a上游校核洪水位和下游校核洪水位b下游校核洪水位地震情况a上游正常蓄水位和下游最低水位b下游满载运行水位注：表中a适用于河床厂房，b适用于坝后和引水厂房。2机组检修河床式厂房机组检修情况下机组设备重不考虑，厂房承受的水头大，而厂房的重量轻，只有结构自重和水重，对稳定不利。3机组

13、未安装 厂房施工一般是先完成一期混凝土浇筑和上部结构，以后顺序逐台安装机组并浇筑二期混凝土，机组安装周期较长，如机组是分期安装的，厂房的施工安装或更长，所以要进行机组未安装时的稳定计算。在这种计算情况中，二期混凝土和设备重不计，厂房重量最轻，而厂房已经承受水压，对抗滑和抗浮不利。如厂房位于软基上，地基承载力低，施工期还需考虑本台机组已安装，而吊车满载通过的情况，如厂房尚未承受水压，则厂基面无扬压力作用，流道中也无水重。4厂房基础设有排水孔时，特殊组合中还要考虑排水失效的情况。二、 计算方法和要求厂房整体稳定和地基应力计算应以中间机组段、边机组段和安装间段作为一个独立的整体，按荷载组合分别进行。

14、边机组段和安装间段，除上下游水压力作用外，还可能受侧向水压力的作用，所以必须核算双向水压力作用下的整体稳定性和地基应力。图12-4 为河床式厂房稳定分析时的受力图。图12-4 河床厂房稳定分析受力图 (一) 抗滑稳定计算 厂房抗滑稳定性可按抗剪断强度公式或抗剪强度公式计算 1抗剪断强度计算公式 (12-1)式中K 按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f，C 滑动面的抗剪断摩擦系数及抗剪断粘结力，kPa；A 基础面受压部分的计算面积，m2；W 全部荷载对滑动面的法向分力（含扬压力），kN; P 全部荷载对滑动面的切向分力（含扬压力），kN。2抗剪强度计算公式 (12-2)式中K按抗剪强度计算的抗

15、滑稳定安全系数；f 滑动面的抗剪摩擦系数。岩基厂房整体抗滑稳定的安全系数不分等级按表12-2选用。表12-2 抗滑稳定的安全系数抗滑稳定安全系数荷 载 组 合基 本 组 合特 殊 组 合无 地 震有 地 震K1.101.051.00K3.002.502.30(二) 抗浮稳定性计算 厂房抗浮稳定性可按下式计算 (12-3)式中 Kf 抗浮稳定安全系数； W 机组段的全部重量，kN； U 作用于机组段的扬压力总和，kN。根据水电站厂房设计规范，抗浮稳定安全系数Kf在任何计算情况下不得小于1.1。(三) 地基应力计算1计算方法厂房地基面上的法向应力，可按下式计算 (12-4)式中 厂基面垂直正应力，

16、kPa； W 作用于机组段上全部荷载在厂基面上的法向分力总和，kN；Mx，My作用于机组段上全部荷载对计算截面形心轴x、y的力矩总和，kN.m； x、y 计算截面上任意点至形心轴的距离，m； Jx， Jy计算截面对形心轴x、y轴的惯性矩，m4； A厂基面计算截面积，m2。式(12-4)假定厂房基础为刚体，厂基面地基应力为线性分布。2计算要求岩基上厂房地基面上的垂直正应力用材料力学计算时应符合下列要求：(1) 厂房地基面上承受的最大垂直正应力，不论是何种型式的厂房，在任何情况下均不应超过地基允许承载力，在地震情况下地基允许承载力可适当提高。(2) 厂房地基面上承受的最小垂直正应力(计入扬压力)应

17、满足下列条件：对于河床式厂房，除地震情况外都应大于零，在地震情况允许出现不大于0.1MPa的拉应力。对于坝后式和引水式厂房，正常运行情况下，一般应大于零；机组检修、机组未安装及非常运行情况下，允许出现不大于0.10.2MPa的局部拉应力。地震情况下，如出现大于0.2MPa的拉应力，应进行专门论证。厂房整体稳定和地基应力计算不满足要求时，应在厂房地基中采取防渗和排水措施。第三节 吊车梁及排架柱结构计算厂房上部结构的屋盖、发电机楼板、围护砖墙结构设计与一般工业厂房相同，这里不再赘述。吊车梁与构架则有其不同于一般工业厂房的使用特点，现将结构设计原理作简要介绍。一、吊车梁吊车梁是直接承受吊车荷载的承重

18、结构，是厂房上部的重要结构之一。水电站厂房内大多采用电动桥式吊车，其特点是起吊容量大、工作间歇性大、操作速度缓慢、使用率低(只在机组进行安装和检修时才用)。水电站吊车性质属于轻级工作制，吊车梁可不验算重复荷载作用下的疲劳强度。现在我国大中型水电站已大多采用预应力钢筋混凝土吊车梁，也有采用钢结构的。钢筋混凝土吊车梁在施工上可分为现浇、预制和叠合梁等形式。现浇吊车梁可分为单跨简支和多跨连续结构(在厂房伸缩缝处必须分开)。预制梁大多为单跨预应力混凝土结构。吊车梁截面截面形式有矩形、T形和I字形。(一) 吊车梁荷载1固定荷载：包括自重(按吊车梁实际尺寸计算)，钢轨及附件重根据厂家资料取，初估时可取1.

19、52.0kN/m。2移动荷载：(1) 竖向最大轮压Pmax(如图12-5)图12-5 竖向最大轮压计算简图一台吊车工作时： (12-5)两台吊车工作时： (12-6)式中 m一台吊车作用在一侧吊车梁上的轮子数；G 吊车总重，kN；G1小车和吊具重，kN；G2最大起吊物重，kN；G3平衡梁重，kN；Lk吊车跨度，m；L1起吊最重件时，主钩至吊车轨道的最小距离，m；在计算吊车梁时，竖向最大轮压Pmax应乘以动力系数，轻级工作制软吊钩吊车动力系数为1.1。(2) 横向水平刹车制动力T1当小车沿厂房横向行驶突然刹车时，产生横向水平制动力(图12-6)，由大车一侧各轮平均传至轨顶，方向与轨道垂直，并考虑

20、正反两个方向。各方向均考虑一侧吊车承受，不再乘动力系数。当一台吊车工作时： 对硬钩吊车： (12-7) 对软钩吊车： (12-8) 当两台吊车工作时： 对硬钩吊车： (12-9)对软钩吊车： (12-10)式中符号意义同前。图12-6 吊车梁承受的横向制动力和扭矩(3) 纵向水平刹车力T2纵向水平刹车力T2由大车一侧制动轮传至轨顶，方向与轨道一致，其值为： T2=0.1Pmax (12-11)式中 Pmax一侧轨道上各制动轮最大轮压之和，kN。此外，对预制吊车梁的运输和吊装过程，自重应乘以动力系数1.5。(二) 吊车梁内力计算吊车梁的内力计算和截面设计包括以下内容：(1) 承受移动竖向轮压作用

21、的内力计算。(2) 承受移动横向水平制动力作用的内力计算。(3) 正、斜截面的强度计算。(4) 扭矩计算。吊车梁受到的扭矩是由梁顶钢轨安装偏差e1(一般为2cm)和由横向水平制动力T1对截面弯曲中心的距离e2(等于h0+y0)两项组成，其中h0为轨顶到吊车梁顶的垂距，一般取20cm；y0为截面弯曲中心到截面顶面的垂距，如图12-6 所示。(5) 挠度计算。电动桥式吊车最大允许挠度：钢筋混凝土吊车梁为L0 /600；钢结构为L0 /750。(L0为吊车梁计算跨度)(6) 裂缝宽度验算和局部拉应力计算。对预制吊车梁须进行施工期的吊装验算。对预应力混凝土吊车梁还需进行局部应力验算。吊车梁是直接承受吊

22、车荷载的承重结构，除吊车梁自重、轨道及附件等均布恒载外，主要承受移动的竖向集中荷载和横向水平制动力，因此需用影响线求出各计算截面的最大(或最小)内力，画出内力包络图，并据此进行截面强度设计及抗裂或限裂、变形等验算。二、排架柱排架柱是厂房上部的主要承重结构，它承受屋面、吊车梁、楼板、风雪等荷载。在高尾水位的水电站还承受下游水压力。厂房排架柱一般采用钢筋混凝土结构，以牛腿面为界分上柱和下柱。与一般工业厂房相比，水电站排架所具有的特点：(1) 承受的荷载大且种类繁多。大、中型水电站吊车容量常达数百吨，有的达数千吨。安装间荷载常为0.05 0.2 MPa ，发电机层楼板荷载一般为0.020.07 MP

23、a。(2) 排架柱高度较高，通常为2030m。主厂房一般为单层排架，安装间单层、多层均有。排架柱跨度一般在1025m范围内，且大多是单跨排架。(3) 排架柱的构成多采用实复柱与屋面大梁现场浇筑的整接型式。有的水电站因特殊需要，屋面采用整片厚板，围护结构采用钢筋混凝土墙，由厚板、墙、柱整体浇筑构成排架。(4) 由于水电站厂房水下结构开有各种类型的孔洞及其它布置上的原因，排架柱往往形成上、下游柱脚不同高程的不等高结构。(5) 在施工过程中，机组的安装使排架柱处于独立承载的不利受力状态。另外，由于水电站厂房布置各不相同，排架柱的型式、尺寸、受荷情况也不相同，设计较难标准化、定型化。(一) 排架柱设计

24、荷载作用在排架柱上的荷载分恒载和活荷载两类(图12-7)。1恒载恒载一般包括：屋面自重g1(包括防水层重、天棚重)；小柱自重G1；大柱自重G2；吊车梁自重G3(包括轨道和附件重)；楼板荷载；如地面高程高出柱底高程时，在上游侧尚有填土压力或山岩压力等。2活荷载一般包括屋面活荷载(人群荷载或雪荷载)p1，吊车竖向荷载Dmax、Dmin、横向水平制动力Tmax，风荷载p2、 p3等，温度应力和干缩应力。如果下游水位高出柱底高程时，还有尾水压力。如厂房建在地震区还有地震荷载。图12-7 排架荷载图作用在排架柱上的最大竖向荷载Dmax为吊车梁作用最大轮压Pmax时的支座反力，Dmin为另一侧相应的反力，

25、Dmax与Dmin同时产生，计算时不考虑动力系数。如吊车梁为连续结构时，可视为简支梁来计算Dmax、Dmin。横向水平制动力Tmax的计算，按下式进行： (12-12)荷载组合要选择可能发生的最不利情况进行组合。(二) 排架计算简图厂房排架结构为一空间构架，但一般均简化成按纵、横两方向的平面结构分别进行计算。由于纵向平面排架柱较多，刚度较大，荷载较小，往往可不必计算。但当厂房围护结构为砖墙，开窗面积较大，且吊车梁又是简支的情况下，应进行纵向平面排架柱的计算。横向平面排架柱由于荷载大，刚度相对较小，为排架计算的主要内容。1计算单元横向平面排架是由相邻柱距的中线划出一个典型区段作为一个计算单元，如

26、图12-8所示。除吊车等移动荷载外，图中阴影线部分就是一个排架柱的受荷范围。12-8 排架计算单元2计算简图排架由于上、下柱截面不等，为一变截面排架，其计算简图根据柱与屋面大梁、楼板和基础连接的实际情况选取，如图12-9 所示。(1) 当排架柱与屋面大梁整体浇筑时，柱与梁视为刚接；屋盖采用厚板结构时，也为刚接；当屋盖采用屋架结构时，柱与屋架视为铰接。(2) 排架柱与基础连接。排架上游柱脚一般假设固定在水轮机层块体混凝土顶部，并避开进厂钢管或蝴蝶阀坑等大孔洞。如上游墙较厚，墙柱的刚度比在1215之间时，则上游柱可假设固定在底墙顶部。当厂房下游墙为与尾水闸墩整体浇筑的厚墙时，排架下游柱脚可假设固定

27、在尾水闸墩顶部，否则按固定在水轮机层考虑。(3) 排架柱与楼板连接。主机间发电机层楼板一般为后浇的二期混凝土，且刚度较小，楼板可视为柱的铰支承。安装间楼板刚度较大，且大梁与柱均为一期混凝土整体浇筑，柱与梁可视为刚接。(4) 计算简图中，横梁的计算工作线取截面形心线(屋架则取其下弦线)。柱取上部小柱的形心线，整个柱为一阶形变截面构件。3计算宽度计算排架各杆的刚度时，柱截面计算宽度的取法为：当围护结构为砖墙时，取柱宽；当围护结构为与柱整浇的混凝土墙时，取窗间净距。横杆计算宽度的取法是：当横杆为独立梁(即采用预制屋面板)时，取梁宽；当横杆为整浇肋形结构时，按T形截面梁计算刚度。图12-9 主机间和安

28、装间典型排架计算简图 (三) 内力计算排架计算中，忽略杆件自身轴向变形的影响，各杆均视为刚杆计算。排架的内力计算按结构力学的一般方法进行。如果排架为对称的二阶形柱形时，可利用现成的图表计算内力；如果排架柱为不对称或杆件为变截面时，可利用专门图表查出各杆件的形常数和载常数，然后用迭代法或力法计算内力。水电站厂房排架大部分或全部为水上结构，一般可按钢筋混凝土设计规范进行设计。当排架的施工条件难以符合上述规范时，则按水工钢筋混凝土设计规范设计。第四节 机墩与风罩机墩是立式水轮发电机的支承结构，其底部与蜗壳顶板联成一体，承受着巨大的静、动荷载，必须具有足够的刚度、强度、稳定性和耐久性。本节主要介绍适用

29、于大中型水电站厂房的圆筒式机墩的结构计算原理与方法。一、机墩或风罩与发电机层楼板的连接型式对于圆筒式发电机层楼板与机墩或风罩的连接方式一般有一以下几种：1整体式。这种连接方式可增强机墩结构的抗扭、抗水平推力的刚度，改善了机墩的受力情况，是应用最多的一种型式，但这种型式会因混凝土的收缩及机墩的振动而使楼板发生裂缝。2简支式。有利于采用预制构件，并在机墩处设置弹性防振垫层，以减轻楼板受机墩振动的影响，简支式的连接构造复杂些，又不能加强机墩的刚度，因此应用不广。 (a) 机墩与楼板整体式连接 (b) 机墩与楼板简支式连接 (c) 机墩与楼板分离式连接1. 楼板 2. 机墩或风罩 3. 弹性垫层 4.

30、 次梁图12-10 机墩与楼板的连接方式3分离式。楼板与机墩自成独立的受力系统，互不影响，楼板上的荷载通过梁柱系统直接传给基础，楼板不受机墩振动的影响。对小型水电站没有单独的副厂房时，可将部分辅助设备布置在发电机层楼板上，由于楼板不支承在机墩上，楼板的浇筑及楼板上的设备的安装均可在机墩施工前进行，可加快电站的施工进度。二、作用在机墩上的荷载及荷载组合(一) 荷载1.垂直静荷载A1。包括：机墩自重，发电机层楼板重及其荷载，发电机定子、励磁机定子及附属设备等重，上机架、下机架重，定子基础板重，下支架在顶起转子时的负荷。这些荷载通过定子基础板作用于机墩顶部。2.垂直动荷载A2。包括：发电机转子连轴及

31、励磁机等重，水轮机转轮连轴重，轴向水推力。通过推力轴承传给机架再传至机墩。发电机层楼板传来的荷载应由厂房上部结构计算得出。机组部分重量和轴向水推力资料应由制造厂家提供，在未取得厂家资料以前，机组重量可参考机组造型参数表数据，轴向水推力可由下式估算：(kN) (12-13)式中：D1水轮机转轮直径(m)；Hmax最大水头(m)；K系数。3水平动荷载A3。由于发电机转子中心与转动中心不相重合，有一个偏心距e，因而机组在运行中就产生了惯性离心力，从而引起机墩的振动离心力。通过导轴承传给机墩。按下式计算： 正常运行： Pm= 0.0011eGn02 (12-14) 飞 逸 ： Pmp= 0.0011e

32、Gnp2 (12-15) 式中：e 机组转动部分的偏心距，m；G机组转动部分的重量，kN；n0机组额定转速，r/min;np机组飞逸转速，r/min; 4扭矩荷载A4。转子磁场对定子磁场的引力受到切向力的作用，通过机墩基础板的固定螺栓形成机墩扭矩。由下式计算：机组的正常扭矩： (12-16 )式中：Mn正常扭矩，kN.m； N 机组的视在功率，kV.A； 功率因数； n0机组额定转速，r/min。发电机短路时，由于巨大的短路电流而产生的突然扭矩，是一个冲击荷载，其值比正常扭矩大得多，可按下式计算： (12-17)式中：短路扭矩，kN.m；2发电机的暂态电抗，其值在0.180.33之间，由厂家提

33、供。(二) 荷载组合机墩荷载组合按表12-3采用。表12-3 机 座 荷 载 组 合 表荷 载 组 合计 算 情 况荷 载 名 称A1A2A3A4正常飞逸正常短路基本组合正常运行特殊组合1短路时2飞逸时三、圆筒式机墩的结构计算(一)静力计算圆筒式机墩按上端自由(不计发电机层楼板的刚度)下端固结于蜗壳顶盖上(矮机墩除外)的等截面圆筒计算。作用在机墩上的荷载，可按均布荷载计算，即按实际作用位置分别换算为沿相当圆筒中心圆周上的垂直均布静、动荷载，作用于机墩截面形心。根据力的平移法则，将全部垂直荷载简化为作用在圆筒截面中和轴上的轴力P和它对中和轴的弯矩M，如图12-11所示。在静力计算时，除轴向水压力

34、外，所有静动荷载均乘以1.31.5的动力系数。图12-11 圆筒式机墩结构计算简图1内力计算当圆筒较矮厚，即圆筒高度L/时，可按整体薄壁长圆筒计算，当筒顶单位周长作用弯矩M时，距端顶x处截面弯矩Mx为 (12-20)式中函数: M 作用于圆筒顶部中心的单位周长弯矩，kN.m；R0 机墩的平均半径，m；h 圆筒的壁厚，m；作用于距筒顶x处单位周长上的轴力: Px= P (12-21) 2各截面的垂直应力分布求得截面的Mx及Px后，可按偏心受压构件的计算公式求各截面的垂直应力分布： (12-22)式中：Px作用在距筒顶x处单位周长上的轴力，kN；F圆筒单位周长上的受压面积，F=1h，m2；C这里取

35、h/2，m；J圆筒单位周长上的断面惯性矩；J=1h3/12 ，m4； 3. 扭矩及水平离心力作用下剪应力计算 (1) 扭矩作用下的剪应力 正常扭矩： (12-23) 短路扭矩： (12-24)式中 动力系数； r 计算点距圆筒中心的距离，m ; JP圆环截面极惯性矩，m4。其中d、D分别为计算圆环的内外直径，m； 短路扭矩的冲击系数，Ta为发电机的时间因数(s)，t1=30/np(np为发电机的飞逸转速)。 (2) 水平离心力作用下的剪应力正常运行： (12-25)飞 逸： (12-26)式中 F圆环截面积，m2。其它同前。 4机墩强度校核 按第三强度理论进行校核。机墩内外壁最大主拉应力按下式

36、验算： Rl/Kh (12-27)当机组正常运行时，=x1+x3；短路时，=x1+x1+x3；飞逸=x4。式中 Rl混凝土的抗拉强度，MPa；Kh混凝土抗拉强度安全系数，按水工钢筋混凝土设计规范采用。 (二) 动力计算(包括验算共振、振幅和动力系数计算) 机墩动力计算目的是：(1) 校核机墩强迫振动和自振之间是否会产生共振现象；(2) 验算振幅是否在允许范围内； (3) 核算动力系数(为静力计算所用)。机墩自振频率的计算通常简化为单自由度体系的振动，将机墩圆筒本身的重量，用一个作用于筒顶的集中质量(相当质量)来代替，在计算自振频率和动力系数中，假定为无阻尼作用，并认为机墩振动是在弹性范围内的微

37、幅振动。1自振频率计算机墩的自振频率，一般分为垂直、水平和扭转三种自振频率。(1) 垂直自振频率。机墩的振动是由无阻尼单自由度体系来确定自由振动频率，因而其垂直自振频率为： (r/min) (12-28)式中：H机墩的高度，m；F机墩截面面积，m2；Eh混凝土的弹性模量，kPa；Pi作用在机墩顶部的全部垂直荷载，kN；Pa 蜗壳顶板自重， kN；P0 机墩自重， kN；p蜗壳顶板在单位垂直力作用下的挠度，m/kN。(2) 水平横向自振频率(r/min) (12-29)式中 Jp机墩截面惯性矩，m42为机墩顶端作用单位水平力时的水平变位，m/kN；可按下端固定，上端自由的空心圆筒悬臂梁求得，即忽

38、略楼板对机墩顶的固结影响。(3) 水平扭转自振频率(r/min) (12-30)式中：J相当于集中在机墩顶端的荷载转动惯量，kN.m2。可按下式计算： J=Piri2+0.35P0R02； (12-31)式中 ri垂直荷载至回转中心距离，m；R0机墩的平均半径，m；单位扭矩作用下机墩的扭转角， ，rad/kN.m； G混凝土的剪切弹模，kPa； Ip机墩的极惯性矩， ,m4 ；d、 D机墩内外直径，m 。2机组强迫振动频率机组在正常运行时，机墩受迫振动一般可有以下两种：(1) 由机组转子质量不平衡产生的强迫振动，其频率等于机组每分钟转数，即n1= n(或np)(r/min) (12-32)这就

39、是机组离心力的振动频率，对机墩来讲，它是外力，所以称为强迫振动频率，振动的方向是水平的。(2) 由水力冲击产生的强迫振动，其频率等于导叶叶片与转轮叶片在运动中的相互交会次数，即： (r/min) (12-33)式中Z1 、Z2导叶叶片数与转轮叶片数；a为Z1 、Z2的最大公约数 。3共振校核求出强迫振动频率n1、n2以及自振频率n01、n02、n03后，即可进行共振校核。为避免与机墩自振频率发生共振，要求机墩的自振频率与强迫振动频率之差和自振频率之比应大于20%30% 。如果不能满足时，则应修改机组尺寸。4振幅计算振幅计算包括垂直振幅、水平振幅和扭转振幅三种。(1) 垂直振幅 (12-34)式

40、中：1垂直方向的自振圆频率， ，1/s； 1垂直方向的迫振圆频率， ，1/s； P1作用在机墩上的垂直动荷载kN。 (2) 水平横向振幅 (12-35)式中：2水平方向的自振圆频率， ，1/s； 1水平方向的迫振圆频率， ，1/s； G2作用在机墩上的全部垂直荷载加0.35倍机墩自重，kN； P2作用在机墩上的水平动荷载，即离心力，kN。 (3) 水平扭转振幅 (12-36)式中：Mn正常扭矩或短路扭矩，kN.m； R机墩的外圆半径，m； I作用在机墩顶部荷载的转动惯量加0.35倍自重的转动惯量，kN.m2；3机墩扭转自振频率，3=0.1047n03，1/s； 3机墩扭转迫振频率，3=0.10

41、47np，1/s； 5. 振幅校核标准为保持机组的旋转稳定性，算出的振幅值应满足 ： 垂直振幅A10.100.15mm； 水平振幅A2+A30.150.20mm；6动力系数的核算由于结构在动荷载作用下的变形与应力比静荷载所产生的变形与应力大，即： (12-37)式中：为动力系数； ni机墩强迫振动频率，r/min； n0i机墩在相应于ni方向的自振频率，r/min； 在机墩结构计算时，将动荷载乘以动力系数当成静荷载计算，设计中值一般采用1.31.5。从上式中计算出的值若小于1.31.5时，仍采用1.31.5。四、圆筒式机墩配筋圆筒式机墩沿圆筒圆周配置竖向钢筋、水平环向钢筋、孔口钢筋，一般不布置

42、斜向钢筋。竖向受力筋应按偏心受压柱计算确定。直径不小于16mm，间距不大于30cm，沿内外壁各布置一层，兼起架立筋的作用。环向筋起固定竖向筋、抵抗温度应力、混凝土收缩应力及环向力作用。由于机墩水平环向截面大，环向应力相对较小，一般均按构造配筋。直径不小于12mm，间距不大于30cm。大孔口根据孔口应力计算结果，按应力大小在孔边配环向筋，直径1016mm，间距不大于1015cm；小孔孔边配适量的钢筋。五、风罩墙的结构计算 风罩墙一般是钢筋混凝土薄壁圆筒结构，底部与机墩圆筒顶部固结，顶部与发电机层楼板的连接有整体式、简支式和分离式三种。风罩墙一般是整体浇筑，也可用预制构件分片组合。(一)风罩墙计算

43、简图风罩墙结构计算简图通常有两种：(1) 当风罩墙半径与壁厚之比(R/)大于10，并且高度较大时，可按有限长的薄壁圆筒公式计算，底部固结，顶部自由或径向简支；(2) 当开孔较多且尺寸较大，破坏圆筒整体性时，按圆周上为单宽的竖向梁计算，底部固结，顶部采用自由、铰支、固接或与发电机层楼板刚结，风罩墙与发电机层楼板一起按型框架计算，但环向要适当布筋加强。(二) 荷载风罩墙承受的荷载有：(1) 结构自重；(2) 发电机层楼板传来的荷载；(3) 发电机上支架千斤顶水平推力；(4) 发电机产生短路扭矩时，发电机层楼板施于风罩的约束扭矩；(5) 温度应力。温度应力不与千斤顶力组合。 (三) 内力计算及配筋

44、根据各项算出的纵向弯矩、水平径向剪力、纵向轴力、环向弯矩和环向轴力后，分别按最不利组合叠加。以纵向弯矩、纵向轴力按偏心受压构件配置风罩墙纵向钢筋，以环向弯矩按受弯构件配置环向钢筋，环向轴力忽略不计，并用水平径向剪力校核风罩墙水平截面的抗剪强度。第四节 蜗壳结构计算 蜗壳是水轮机的进水设备，进口与引水钢管连接，把水流引向水轮机导水叶进入转轮。其尺寸与断面形状由制造厂家根据水力模型试验确定。蜗壳必须满足强度条件，并不应开裂与渗漏。当电站最高水头在Hmax40m时，应采用圆形断面的金属蜗壳，外包以钢筋混凝土。当电站最高水头40m时，可采用梯形断面的钢筋混凝土蜗壳，但对水头超过30 m的情况，宜采用薄

45、钢板衬砌，防止混凝土裂缝而渗水。 一、钢蜗壳外围混凝土结构计算(一) 构造方法金属蜗壳是圆形薄壁结构，金属蜗壳与外围混凝土之间，在蜗壳上半部与外围混凝土之间应设24层总厚为24cm左右的沥青油毛毡或软木玛缔脂等弹性垫层，使二者互相分离，受力互不传递。钢蜗壳承担全部内水压力，外围混凝土结构承担上部结构传来的荷载及自重，如图12-12所示。对此种蜗壳，结构计算主要是针对蜗壳中心线以上的外围混凝土结构，蜗壳中心线以下部分混凝土与块体结构整体浇筑，不必计算。当金属蜗壳与外围混凝土之间不设垫层时，外围混凝土结构除承受结构自重和外荷载外，还要承受部分内水压力。图12-12 金属蜗壳外围混凝土结构 (二)荷

46、载与荷载组合金属蜗壳外围混凝土结构承受的荷载及荷载组合如下：1荷载(1) 结构自重A1。 (2) 机墩传来的荷载A2。机墩静力计算中求出的底面正应力假定为直线分布。 (3) 水轮机层地面活荷载A3。参考实际工程资料确定。 (4) 内水压力(包括水击压力)A4 。 (5) 外水压力A5。(6) 温度影响力A6。 2荷载组合 蜗壳外围混凝土结构荷载组合按表12-4采用。表12-4 蜗 壳 荷 载 组 合 表 蜗 壳 型 式荷 载 组 合荷 载 名 称A1A2A3A4A5A6金属蜗壳外围混凝土基 本 组 合钢筋混凝土蜗壳基 本 组 合特殊组合1正常运行+温度影响力2蜗壳放空3校核洪水位运行(三)蜗壳

47、结构计算模型 蜗壳外围混凝土是空间整体结构，当不考虑金属蜗壳与外围混凝土结构联合作用时，内力计算一般按平面问题处理。设计中常沿蜗壳中心线径向切取若干单位宽度的截面，按平面框架进行计算；对大型工程宜采用三维有限元分析。当有技术经济论证时，也可考虑由蜗壳与外围混凝土联合作用，水压力由钢蜗壳与外围混凝土共同承担。内力计算由三维有限元分析、结构模型试验确定。因蜗壳尺寸及外因混凝土厚度在沿蜗壳中心线的平面内是变化的，所取的截面一般为0、90、180包角线处，而0截面(蜗壳进口处)往往是控制截面。框架横梁(顶板)与座环连接端假定为铰接，蜗壳边墙底部固接于下部块体混凝土上或安装高程处，如图12-13所示。1

48、机墩2座环3弹性垫层4外墙5二期混凝土6一期混凝土7刚性结点8圆拱图12-13 钢蜗壳外围混凝土结构计算简图蜗壳外围结构的一、二期混凝土间易形成冷缝，故形刚架截面厚度仅考虑二期混凝的厚度。计算简图的选取以杆件曲面中心轴线为准。当杆件截面厚度较小，截面最小高度h与计算跨度L之比h/Ll/5或蜗壳尺寸很小时，可忽略结点宽度和剪切变形影响，按一般形刚架计算。当杆件截面厚度很大，h/Ll/5时，应考虑结点刚度和剪力引起的剪切变形对结构内力的影响，可将结点宽度范围内的杆件用刚性杆段代替，如图12-13(b)所示。为简化计算，可按杆件中心线长度L及h构成的形刚架计算跨中弯矩，用净跨长L1及h1构成的形刚架

49、计算结点弯矩。初步估其时也可按净跨L1及h1构成的形刚架计算内力，不考虑刚性杆段作用。3. 若蜗壳边墙较厚，或相邻两机组段之间不设永久性变形缝，蜗壳边墙刚度比顶板刚度大8倍以上时，可考虑按一端铰接于座环，另一端固接于边墙的梁或圆拱计算，如图12-13(c)所示。 (四)内力计算 根据计算简图及荷载，用结构力学方法求出杆件内力。 (1) 不考虑剪切变形和结点刚性影响。形刚架的内力计算可直接利用有关建筑结构计算手册图表及公式进行。 (2) 考虑剪切变形和结点刚性影响。这种形刚架的内力计算。在杆件形常数和载常数计算中，需计入剪切变形和结点刚性影响，其他计算完全相同。 (五)配筋原则由于蜗壳断面小的地

50、方用形刚架计算内力不很合理，一般除进口断面按计算配筋外，其余部位可采用计算值的80%配筋或按构造配筋。蜗壳顶板按受弯构件配筋。受力筋径向辐射等距布置、上下各一层。上层刚筋可分区按一定等差切断，但切断点应伸出边墙外周边30d以上。下层钢筋可沿金属蜗壳表面整环布置，两端与座环焊接。计算时不计水平环向约束，但在顶板及边墙的环向应配置构造钢筋及温度筋，直径不小于20mm，间距不大于2030cm。蜗壳的边墙按偏心受压构件配筋，受力筋垂直向布置，分内外两层，直径不宜小于1216mm，间距不大于2030cm。外围混凝土结构的配筋情况，如图12-14所示。外围混凝土结构不需验算斜截面强度。混凝土允许开裂，但应

51、验算裂缝开展宽度。图12-14 金属蜗壳外围混凝土结构配筋图1-水平环向构造温度筋 2-径向受力筋等差切断 3- 径向受力筋沿蜗壳表面整环布置 4- 水平环向构造温度钢筋 二、钢筋混凝土蜗壳钢筋混凝土蜗壳既承受自重与上部结构传来的荷载，又承受内水压力。由于这种蜗壳过流量大、且防渗要求高、体形复杂，因此对设计施工的要求较高，必须满足强度、抗渗要求。蜗壳组成如图12-15所示，包括以下几部分：图12-15 钢筋混凝土蜗壳组成图1侧墙 2 尾水锥体 3 下游压力墙 4 进口底板 5 排架柱 6 环形薄墙 7 机墩 8 顶板(1) 进口段。由顶板、边墙、底部大块体结构或底板组成。当进口段横截面跨度较大

52、时，可在跨中设中墩以改善顶板受力条件。 (2) 蜗壳段。由顶板、侧墙(左、右侧墙、下游墙)及底部大块体结构组成。顶板为螺旋形环形板，内周边为圆形，支承于水轮机座环上，外周边支承于侧墙上。蜗壳段侧墙为厚壁块体墙，其形状也为螺旋形，三个边界分别与顶板、底板及下游压力墙相接。 (3) 尾水锥体。为变厚度变高度圆筒锥体，顶端为支承水轮机座环的水平圆环，支承顶板内周边。顶板与蜗壳底板以此为界，下接尾水管直锥段。如图12-15(d)所示。(4) 底板。与尾水管周围混凝土连成整体，一般不予计算。(二) 荷载及荷载组合钢筋混凝土蜗壳荷载及荷载组合，与金属蜗壳外围混凝土结构相同，见表13-4。(三) 内力计算钢

53、筋混凝土蜗壳结构与钢蜗壳外围结构一样，是个整体性的空间结构，只有用三维有限元法才能求出蜗壳结构的整体应力状态。目前设计中沿用的基本方法有结构力学法或弹性理论方法，对大型厂房应用三维有限元计算蜗壳结构内力。1平面框架法 把钢筋混凝土蜗壳空间整体结构简化为平面框架计算，可利用结构力学常用图表计算。方法与金属蜗壳外围混凝土结构相同。宜于中小型机组采用。 (1) 进口段。沿水流方向切取单宽横截面，按固结于底板的形框架计算，荷载为内水压力及自重。(2) 蜗壳段。沿下游压力墙中心周长从径向切取单宽平面形框架。框架横梁(蜗壳顶板)一端与水轮机座环铰接，另一端与蜗壳侧墙刚接，侧墙固结于蜗壳底板或尾水管顶板上。

54、此法在计算中忽略了平面框架之间的相互作用即环向约束，如图12-16(a)所示。计算简图上的刚架荷载按实际作用位置确定，如图12-16(b)所示。 (a) (b)图12-16 平面框架法 (3) 尾水锥体。为一变厚、变高的厚壁锥形圆筒，上端水平，下端为螺旋形曲面，如图12-17(a)所示。计算时，一般简化为上端自由、下端固接于尾水管弯管和边墩上的等厚等高短圆筒。圆筒高度取进水口处锥体最大高度H，厚度与直径取上、下两端平均值，如图12-17(b)所示，图中r0(r1+r2)2。图12-17 钢筋混凝土蜗壳尾水锥体计算简图圆筒顶部承受水轮机座环传来的垂直荷载及自重；圆筒环向作用有蜗壳内水压力与尾水管内水压力之差，近似按均布荷载考虑，作用于正圆筒外壁，如图12-17(d)所示。2环形板墙法 环形板墙法认为蜗壳顶板和侧墙的连接为固结，因而蜗壳顶板、侧墙和压力墙可分开计算，假定各为独立结构，不考虑相互之间的变位调整，仅考虑反力传递。 (1) 进口段。顶板与侧墙都按两端固定的梁式板或双向板计算。(2) 蜗壳旋形段。旋形段顶板作为环形板计算或将顶板分成数块，每块均作为环形板的一部分计算，如图12-18所示。环形板外周视为固定端，内周根据具体布置情况确定支承形式：支承