杜秀萍，駱紅偉

（保定市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北 保定 071000）

1 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

紫荊關(guān)水電站位于保定市易縣境內(nèi)，為引水式電站，廠房為地面式廠房，廠房及引水建筑物的級(jí)別為IV級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)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?jī)?nèi)布置3臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量3750kW。為了安裝和維修方便，在主廠房?jī)?nèi)安裝電動(dòng)單梁式起重機(jī)1臺(tái)，最大起吊重量10t，主廠房長(zhǎng)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(zhǎng)度42m，寬度6.9m。廠房排架柱為預(yù)制混凝土矩形柱，主廠房屋蓋采用9.0m預(yù)應(yīng)力雙坡屋面梁，副廠房采用預(yù)制鋼筋混凝土梁，屋面板均采用預(yù)應(yīng)力大型屋面板。

1.2 荷載計(jì)算范圍和設(shè)計(jì)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(chē)荷載（豎向荷載及橫向水平荷載）、橫向風(fēng)荷載等。另外，各種荷載計(jì)算時(shí)均應(yīng)采用其標(biāo)準(zhǔn)值，以便下一步的內(nèi)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(qū)域?yàn)橛?jì)算單元，作用在這一單元內(nèi)的荷載，完全由該平面排架承擔(dān)。另外，由于吊車(chē)荷載是移動(dòng)的集中活荷載，經(jīng)吊車(chē)梁傳給排架柱，不能按單元內(nèi)的范圍傳力計(jì)算，應(yīng)按支座反力直接作用在排架柱的牛腿上。

1.2.3 計(jì)算簡(jiǎn)圖

由于柱下端插入杯口基礎(chǔ)內(nèi)，且經(jīng)兩次高強(qiáng)灌筑與基礎(chǔ)結(jié)成整體，因此在對(duì)橫向排架的結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)下部視為固定端。由于屋架與柱端是通過(guò)柱頂預(yù)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(shè)計(jì)時(shí)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(wú)檁體系，屋蓋的剛度比較大，且在廠房的兩端均設(shè)有山墻，空間作用非常小，因此在排架柱設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮廠房的空間作用。

1.3 荷載統(tǒng)計(jì)

1.3.1 排架柱自重

根據(jù)排架柱的高度、吊車(chē)梁的布置和軌道安裝要求，初定排架柱為預(yù)制鋼筋混凝土矩形柱，排架柱混凝土標(biāo)號(hào)C20。按實(shí)際截面尺寸可計(jì)算上柱和下柱的自重，其數(shù)值見(jiàn)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(jù)屋架的自重（28.18kN）和屋面的工程作法，計(jì)算出屋面的恒荷載和活荷載的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算出單元范圍內(nèi)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(chē)豎向荷載Dmax和Dmin

根據(jù)起重機(jī)資料，查得10t吊車(chē)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(chē)寬度2.5m，起重機(jī)自重48.94kN（包括電動(dòng)葫蘆）。另外根據(jù)吊車(chē)梁支座反力的影響線及吊車(chē)輪子的最不利位置（如圖1示），由公式Dmax＝Pmax×Σy，Dmin＝Pmin×Σy，可計(jì)算出由吊車(chē)梁傳給柱子的最大豎向吊車(chē)荷載Dmax與最小豎向吊車(chē)荷載Dmin分別為106.88kN和 35.24kN。

1.3.4 橫向水平力T

根據(jù)計(jì)算公式：T＝α（Q＋g）/n Tmax＝T×Σy

式中 α為系數(shù)，取0.12；n為吊車(chē)兩端的總輪數(shù)；Q為吊車(chē)的起重量；g為小車(chē)重量。

計(jì)算出每個(gè)輪子的橫向水平力：T＝3.41kN，最大的吊車(chē)橫向水平荷載Tmax＝5.70kN。

1.3.5 吊車(chē)梁及軌道的連接重P4

吊車(chē)梁自重28.2kN，軌道及連接件重量6.0kN，合計(jì)P4為34.2kN。

1.3.6 牛腿頂部的豎向力和水平力

1.3.7 風(fēng)荷載q1、q2、q3和P9

作用在排架柱上的風(fēng)荷載包括由墻面?zhèn)鱽?lái)的均布風(fēng)荷載q和屋面?zhèn)鱽?lái)的集中風(fēng)荷載P9，垂直建筑物的風(fēng)荷載可按下式計(jì)算：

式中 W0為基本風(fēng)壓，根據(jù)《規(guī)范》［5］查得基本風(fēng)壓值為0.4kN/m2；μS為風(fēng)載體型系數(shù)；根據(jù)《荷載規(guī)范》［5］對(duì)于高低跨廠房：迎風(fēng)面＋0.8，背風(fēng)面－0.4，高低跨排架柱的上部－0.6； μZ風(fēng)壓高度變化系數(shù)，由于此廠房的高度小于10m，取1.0。

由 此 可 計(jì) 算 出 此 柱 的 均 布 風(fēng) 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(nèi)力組合原則

（1）根據(jù)排架柱的受力特點(diǎn)分別取上柱柱底；牛腿處截面和下柱柱底（室內(nèi)廠房地面下0.5m處）為排架柱配筋計(jì)算的控制截面。對(duì)于小型廠房，當(dāng)?shù)踯?chē)荷載不大時(shí)，往往是柱底截面控制下柱的配筋，同時(shí)下柱柱底截面的內(nèi)力值也是設(shè)計(jì)柱基的依據(jù)。在本工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，分別取以上3個(gè)截面為排架柱的控制截面，并計(jì)算出在各種荷載作用下截面的內(nèi)力分別進(jìn)行組合，求出其組合內(nèi)力作為柱配筋的依據(jù)。另外由于本工程位于地震區(qū)，因此在內(nèi)力計(jì)算和組合中，應(yīng)包括在地震作用下控制截面的內(nèi)力。

（2）對(duì)于矩形排架柱的內(nèi)力組合，當(dāng)采用筆算時(shí)可主要進(jìn)行下列4種內(nèi)力組合：①＋Mmax與相應(yīng)的N；②－Mmax與相應(yīng)的N；③Nmax與相應(yīng)的±M（取絕對(duì)值較大者）；④Nmin與相應(yīng)的±M（取絕對(duì)值較大者）。

1.5 內(nèi)力計(jì)算

由于排架的內(nèi)力計(jì)算和內(nèi)力組合用手算比較復(fù)雜，因此在本工程設(shè)計(jì)中，采用電算方法，軟件采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的平面桿系結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)PMCBC，并且根據(jù)本工程的實(shí)際情況，編制計(jì)算程序（包括在地震作用下的內(nèi)力計(jì)算和組合）。根據(jù)各截面的內(nèi)力，經(jīng)計(jì)算確定柱的配筋，考慮到其他不確定因素，在設(shè)計(jì)時(shí)采用對(duì)稱(chēng)配筋，下柱兩側(cè)各布置為4準(zhǔn)20縱筋，上柱4準(zhǔn)16縱筋為箍筋加密區(qū)（上柱高度范圍內(nèi)，牛腿處和下柱柱腳2.3m內(nèi)）準(zhǔn)8＠100，其他位置準(zhǔn)8＠200，廠房端柱除外。

1.6 牛腿強(qiáng)度和柱吊裝驗(yàn)算

（1）根據(jù)作用在牛腿上FVK、FHK進(jìn)行截面的強(qiáng)度驗(yàn)算和配筋計(jì)算，確定牛腿處配筋為4準(zhǔn)16。

（2）排架柱在運(yùn)輸、吊裝時(shí)的受力狀態(tài)與其在使用階段不同，在吊裝時(shí)采用翻身、綁扎單點(diǎn)起吊的方法，吊點(diǎn)設(shè)在變階處，因此必須對(duì)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(jìn)行強(qiáng)度和裂縫寬度的校核驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)，柱的自重采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值，并乘以動(dòng)力系數(shù)1.5。

對(duì)于裂縫寬度（Wmax≤0.2mm）的驗(yàn)算，用受拉鋼筋應(yīng)力的驗(yàn)算來(lái)代替。計(jì)算公式為：

式中 γ為建筑物的安全等級(jí)，由于在吊裝時(shí)柱的受力狀態(tài)系臨時(shí)性質(zhì)，因此可降低一級(jí)使用，取γ＝0.9；M為吊裝驗(yàn)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(shí)彎曲受拉鋼筋截面面積。

經(jīng)計(jì)算，截面的承載力Mu＝Asfy（h0－αs）大于3個(gè)截面處的內(nèi)力，在柱所配鋼筋下均能滿足受拉鋼筋應(yīng)力均小于220N/mm2，因此滿足吊裝要求。

2 其他注意問(wèn)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(yīng)在廠房?jī)啥嗽O(shè)置端排架。而且在山墻頂部與屋架相對(duì)應(yīng)的高度應(yīng)設(shè)置鋼筋混凝土臥梁，并與屋架端頭上部高度處的圈梁連續(xù)封閉。

（2）對(duì)于有吊車(chē)的廠房，排架柱的預(yù)埋件比較多，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)校對(duì)其位置和數(shù)目，避免遺漏或由于位置和尺寸的錯(cuò)誤，造成吊車(chē)梁和屋面梁等構(gòu)件無(wú)法安裝。

（3）為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，增強(qiáng)其抗震能力，在柱外側(cè)沿豎向每隔500mm留2準(zhǔn)6鋼筋與外墻體的拉結(jié)；另外在外墻圈梁對(duì)應(yīng)位置設(shè)置不小于2準(zhǔn)12拉結(jié)筋。在電氣設(shè)計(jì)中，為了照明的需要，在柱的一定高度上要設(shè)置燈具，因此柱在預(yù)制時(shí)，要預(yù)埋電線管以便穿線，其位置和高度要與電氣設(shè)計(jì)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(cè)向變形受約束和壓彎的復(fù)雜受力狀態(tài)，其抗震強(qiáng)度和延性較中間排架柱頭弱，為了避免在地震中角柱頂開(kāi)裂，造成柱頭折斷和端屋架塌落，因此在設(shè)計(jì)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(yīng)大于準(zhǔn)10＠250。

（5）單層廠房的抗震驗(yàn)算主要包括縱向和橫向兩個(gè)方面，如果結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范要求的前提下，7度時(shí)的Ⅰ、Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，當(dāng)柱的高度不超過(guò)10m且單元的兩端均有墻的單跨廠房，可以不進(jìn)行縱向和橫向的截面抗震驗(yàn)算（在本工程設(shè)計(jì)中，考慮了抗震作用）。

3 結(jié)語(yǔ)

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

（2）排架柱配筋計(jì)算只是設(shè)計(jì)的一個(gè)方面，在構(gòu)造方面亦應(yīng)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(qū)的范圍和預(yù)埋件錨筋、埋件的焊縫和焊腳尺寸等均應(yīng)滿足規(guī)范要求。

［1］SL266—2001，水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］周氐.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

［2］GB50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB50011—2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB50009—2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.