水电站厂房屋面结构设计分析研究

水电站厂房屋面结构设计分析研究【摘要】水电站的厂房是水电站的主要建筑物之一，厂房中安装有发电机、水轮机等发电设备和各种辅助设备，是一个实现水能转换为电能的综合工程设施。以烟岗水电站工程为实例，介绍了钢网结构在厂房中的应用。有效地解决了屋面建筑冬季施工困难问题，且结构造型美观、灵活、设计简单，施工方便，旨在为以后的水利水电工程厂房屋面结构设计的同行提供参考。【关键词】水电站；厂房屋面结构；混凝土结构；钢网结构水电站厂房钢网结构作为一种空间结构，它由许多杆件沿曲面或平面按一定要求组成的空间网状结构。早在上世纪40年代就由德国首次成功运用于工业建筑上，此后在世界各地得到广泛发展，到目前已形成了很多定型体系，如单杆体系、米罗（MERO）体系、菱形桁架体系（Diamondtruss）、空间板体系（SpaceDeck）、以及诺得斯（NODUS）体系等。直到上个世纪90年代以前，这种结构主要应用于大跨度的展览厅、车站候车大厅以及游泳馆等公共建筑。1、工程概况第6页共6页 烟岗水电站工程位于四川省凉山州木里县境内，是雅砻江中游右岸一级支流――鸭嘴河水电梯级的第二级水电站。首部枢纽工程位于烟岗峡谷进口处，距木里县公路里程76km，距西昌市公路里程330km，其上游约8km处为该河段水电梯级的第一级水电站―布西水电站。烟岗水电站厂房位于鸭嘴河河口上游的雅砻江的右岸山坡2515m高程处，其尾水接第三级水电站―跑马坪水电站的前池，烟岗厂房距首部枢纽公路里程12km。本工程开发任务为发电，兼顾环境生态用水。工程由首部枢纽、引水发电洞、压力埋管、电站厂房及尾水渠等主要建筑物组成。总工期36个月。工程静态总投资82311.61万元，总投资91721.61万元。烟岗水电站采用引水式开发，装机容量120MW，多年平均发电量5.32亿kW.h。电站主厂房全长54.76m，宽21m，最大高度20.4m。厂房与开关站结合地形条件布置，左侧为安装间，与主机间同宽；主厂房内2台发电机组呈一字形排列。电站于2012年10月正式并网发电。2、主厂房屋顶设计方案比选2.1钢网架结构方案钢网架结构的特点是，施工速度快，安装、维修容易，安全系数高，且可以解决机电安装急需保温的困难。钢网结构比较固定，一般由三部分组成：厂顶网架、网架支撑以及屋面。在材料选择上，屋面采用彩钢夹芯板，檩条采用冷弯溥壁型钢。2.2钢筋混凝土方案第6页共6页 钢筋混凝土结构在工业与民用建筑中得到了广泛的应用，其主要优点是作为承重构件，其承载力大，施工技术成熟，抗震和防火等方面的性能优越。采用钢筋混凝士框架结构，稳定性可以得到很好的保证。钢筋混凝土梁板结构经历了两个阶段，传统的做法是薄腹梁或混凝土屋架加大型槽型板，后来随着预应力技术的成熟，一些技术公司开发出雁型板项目。值得强调的是屋面板要有保温层、防水以及保护等功能。2.3房屋方案的比选为了选出更为合理的方案，应对两种方案的优缺点进行比较。笔者根据工程的实际情况，主要对以下几个方面做了比较：施工工期：钢网结构施工工期短，且不受天气的影响，即使是在寒冷的冬季，混凝土无法施工的情况下，钢网仍可进行。且预制构件的施工周期长，养护周期长。施工人员费用：钢网结构主要的构件厂家已经事先设计好了，电站只需要安装即可，施工时间大大缩短，因此，施工人员费用也比混凝土结构便宜。工程造价：施工以及装修等工作完成以后，按实际的覆盖厂房面积，经过计算知钢网结构每平米综合造价比混凝土结构节省投资30-40%。构件制作：钢网结构所需的钢管、螺栓、锥头、板材以及檩条等构件均由设计厂家按要求制作，只需将构件运到现场安装即可完成；混凝土结构方案需要浇注梁以及面板，为了保证预制施工质量，需要事先平整夯实及硬化预制场地[2]，特别是在场地受限的水电站工程中，场地条件有时无法保证。第6页共6页 影响因素：钢网架结构施工非常简便，吊装安全并且工作量小，混凝土用量也很少，质量控制比较容易。混凝土结构材料较多，施工受外界条件影响大，尤其冬季施工，加大了施工难度，混凝土质量因而不能很好的保障，准备工作量也非常大。综合以上几个重要因素的考虑，钢网结构优势非常明显，同时为避免梁板吊装对机电安装造成较大的干扰，确保机组可以按期投产发电，设计最终采用空间钢网架结构方案。3、钢网结构设计3.1结构形式钢网结构采用正放四角锥网架。支撑形式：下弦支承。节点类型：螺栓球节点网架。平面尺寸大小为38.42m×17m，投影面积共计653.14m2。3.2设计依据荷载标准值：上弦恒载为0.30kN/m2，上弦活载为0.50kN/m2，下弦恒载为0.1kN/m2，基本风压为0.35kNkN/m2，抗雪压载荷为0.50kN/m2。设防抗震烈度为6度，场地属于Ⅱ类建筑场地。3.3材料选择第6页共6页 选用Q235B钢制作的钢管，采用高频焊接钢管的焊接方式。螺栓螺钉选用40Cr钢，材质应符合《合金结构钢技术条件》GB3077要求，高强螺栓应满足《钢结构用高强度大六角头螺栓》GB1288的规定，其性能等级为10.90s。选用45号钢制作的螺栓球，材质应符合《优质碳素结构钢钢号及一般技术条件》GB699的规定。选用Q235B钢制作的封板锥头，钢管直径超过76时必须采用锥头，连接焊缝海外锥头的任意截面与连接的钢管强度要等同，厚度应保证变形以及强度的要求。选用Q235钢制作的套筒，杆件与截面等同。选用E43焊条对Q235钢与Q235钢进行焊接，选用E50焊条对Q235钢与45号钢进行焊接。采用75mm厚彩钢夹芯板作为屋面板材，采用冷弯薄壁型钢制作檩条。3.4加工技术要求网架杆件需要对氧化皮以及锈蚀等污物进行清除后才可加工。网架的构件（包括杆件、螺栓球、、支座高强螺栓等）需要在专业的厂家定制，并且还得有检验合格证明，对于球以及螺栓的加工，则由厂家按机械行业标准选购或自行加工，但要满足受力和材质要求。焊缝需满足规定标准，构件焊接要达到同等强度，。3.5安装以及涂装技术要求支承面预埋钢板必须保持水平，安装位置准确。，相邻支座高差不超过5mm，最高与最低高差不超过10mm，位移量不超过5mm。对所有构件须都需要作防锈处理，出厂前以及安装后都要涂灰色防锈漆。为了保证使用年限，涂装前需要进行除锈，除锈参考《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等极》GB8923中的Sa2等级，不能低于这个除锈等级。涂装时的环境湿度以及温度，除其产品的特殊要求外，相对湿度不应超过85%，温度应在5D38℃之间。不应在涂装构件的表面出现结露，涂装后4小时内应避免雨淋。荷载必须作用在节点（螺栓球）上，严禁在杆件上悬挂重物，杆件不承受横向荷载。4、结束语第6页共6页 网架结构的组成比较规则，施工起来方便，厂房屋面结构采用钢网架比采用钢筋混凝土梁、板结构费用小，建设工期短，质量更易于控制，并且对周围环境影响小。因此，在水电站工程中应大力推广应用。参考文献[1]刘少红.水电站工程主厂房排架结构设计[J].科技资讯，2009（12）[2]刘益民.宝鸡峡林家村水电站主厂房排架柱加固设计与施工[J].陕西水利，2009（6）[3]覃丽钠，李明卫.矩形钢管混凝土柱在水电站厂房中的应用[J].贵州水力发电，2011（6）第6页共6页