《水电站建筑物》PPT课件.pptVIP

第十三章 水电站厂房结构设计 第一节 主厂房的结构布置设计 第二节 厂房混凝土浇筑的分期和分块 第三节 厂房结构的分缝和止水 第四节 厂房上部结构分析 第五节 发电机机墩 第六节 金属蜗壳 第七节 尾水管 第一节 主厂房的结构布置设计 水 电 站 厂 房 的 结 构 组 成 水电站厂房的结构组成及作用 上部结构： 屋盖结构：屋面板、屋架或屋面大梁； 吊车梁； 排架柱； 发电机层、装配场层楼板； 厂房围护结构、墙、抗风柱、圈梁与连系梁。 上部结构为板、梁、柱系统。 下部结构： 机墩 蜗壳、水轮机座环 尾水管 基础混凝土及上、下游承重墙 (一) 上部结构 1、屋顶（屋盖结构）：围护和承载，包括： (1) 屋面板：隔热、遮阳、避风雨；直接承受屋面 荷载，如风、雪和自重等，传给屋架或屋面大梁。 材料：预制钢筋混凝土大型屋面板+隔热层+防水 层+保护层 (2) 屋架或屋面大梁。承受屋面板传来的全部荷载 及自身重量，传至排架柱或壁柱。 2、排架柱 承受屋架或屋面大梁、吊车梁、外墙传来的荷 载和排架柱自重，并将它们传给厂房下部结构 的大体积混凝土。 3、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、横向水平荷载 ，并将它们传给排架柱。 排架柱的布置： 柱距尽量统一，分缝处一般设双梁双柱； 立柱最好不要直接落在尾水管顶板或钢管上； 横梁和立柱截面尺寸由强度要求初估。 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，传给梁并部分传发电机 机座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。 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，并将它传给屋面大梁和基础或厂房下部 大体积混凝土块体。 (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。 水 电 站 厂 房 的 结 构 组 成 (二)下部结构 1、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。 2、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重量和活荷载通 过蜗壳顶板也传到尾水管。 3、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。 (一) 厂房主要荷载 (1) 厂房自重，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； 厂房的受力和传力系统 (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。 (二) 厂房的传力系统 自重与活荷载 下游水压力 下游墙 河床式上游水压力 上游墙 岸边式渗水压力 上游墙 伸缩缝渗水压力 蜗壳混凝土 地基扬压力 基础混凝土 风荷 围护结构 排架柱 基础 雪荷载 屋盖结构 排架柱 基础 其他 第二节 厂房混凝土浇筑的分期和分块 分期目的： 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和厂房 形状的变化，厂房中的混凝土需要分期浇 筑，称为一期混凝土和二期混凝土。 厂房混凝土浇筑的分期 原则： 满足机电设备安装和埋设的要求； 对机组分期安装、分期运行的厂房 ，应满足初期运行时稳定、强度和防 渗的要求。 厂 房 混 凝 土 分 期 分 块 一期混凝土：底板、尾水管、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：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、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 括金属蜗壳外的混凝土、尾水管直锥段 外包混凝土、机座、发电机风罩外壁、 部分楼层的楼板。 混凝土浇筑的分层、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。 混凝土浇筑分层、分块是为了便于施工和保 证工程质量。 分层分块原则： 1、必须保证主机组安装方便； 2、浇筑缝应设在构件内力最小的部位； 3、分块的大小应与混凝土的生产能力、浇 筑方法与强度相适应； 4、分块必须尽量使工作过程具有最大的重 复性，以简化施工和便于模板的重复使用。 厂 房 混 凝 土 分 期 分 块 厂房结构的分缝 (1) 沉降伸缩缝为防止厂房地基不均匀沉陷 ，减小下部结构受基础约束产生的温度和干缩应 力，沿厂房长度方向设置的伸缩缝和沉降缝(永久 缝)。 特点：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。 (2) 施工缝根据施工条件设置的混凝土浇筑 缝(临时缝)。 第三节 厂房结构的分缝和止水 1、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。 2、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。 3、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。 4、永久缝的宽度一般为12cm，软基上可宽一些 ，但不超过6cm。 主副厂房、安装间、尾水平台间的分缝 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。 厂房水下部分的永久缝应设置止水，以防止沿缝 隙的渗漏，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。 厂房结构的止水 在厂房最高尾水位以下部分永久缝 的迎水面需设止水，竖向止水与水 平止水之间形成封闭系统，以保证 不致循缝向厂内渗水。 止水材料：紫铜片、镀锌铁皮、塑料止 水等，重要部位加设沥青井。 施工缝止水：水下部分施工缝，新混凝 土浇筑前，在老混凝土面上预贴沥青油 毡止水。并在迎水面加设塑料止水或铜 片止水。 第四节 厂房上部结构分析 上部结构与一般 工业厂房无异。 现浇梁系屋面板： 肋形结构（主、次梁 及 板）。 屋面梁或屋架+预 制屋面板。 大型电站也有采用 钢绗架的。 屋架系统 屋面大梁与立柱可能是整浇，成为整体 式刚架，大梁与立柱的连接为刚性。也 可能是装配式的，大梁与立柱的连接为 铰接。 若为整浇，梁截面一般做成矩形，梁高 一般为梁跨的1/12 1/8。 荷载：自重（吊车梁与 钢轨及其附件）；吊车 垂直最大轮压；吊车横 向水平制动力（纵向不 考虑）。 计算内容：内力计算并 据此配筋；挠度验算； 限裂验算。 吊车梁 吊车梁：单跨简支梁或多跨连续梁 吊车梁通常采用T型断面，其高度一般为跨度 的1/5 1/8，梁宽约为梁高的1/2 1/3。 翼板厚度一般为梁高的1/6 1/10，宽度不小 于35cm。 主梁 次梁 主、付厂房楼板计算肋形结构 荷载：板、梁自重，楼面固 定设备，楼面活荷载，其中 起吊物在计算板时乘动力系 数。 内容：主、次梁及板(双向 板或单向板)的内力与配筋 计算。 发电机层楼板多采用板梁式结构，楼板厚度一 般为1525cm。次梁间距可为1.82.2m，双向板 次梁间距可达2.53.0m。也可采用纯板式结构 ，其相应楼板厚度可能到50cm。 装配场楼板承受的荷载特别大，通常采用整体 式板梁式结构，楼板厚度一般为2550cm。次梁 间距1.5 2.5m左右。 发电机层主梁高度约为跨度的1/8 1/12，梁宽 约为梁高的1/2 1/3。 空间构架简化为平面构架进行计算。 主厂房排架 各种工况下可能的荷载：结构自重，屋盖 系统，吊车梁，各楼板梁系、厂房围护结构 传来荷载，风荷载，温度应力，地震力及可 能的上、下游水压力。 计算简图：主要视立柱与梁的连接形式、 相对刚度确定其简图。 计算内容： A、内力计算及配筋，其中梁为受弯构件，立 柱为偏心受压构件。 B、位移验算吊车梁侧向水平位移不得超过 1cm。 吊车起吊能力10吨, 吊车起吊100吨左右时： 排架柱尺寸估算 机墩 发电机机墩为发电机支承结 构，除了承受自重等荷载外 ，还直接承受机组运转中产 生的振动荷载，所以必须要 有足够的刚度，防止出现共 振和过大的变形。立式机组 的发电机支承结构中，圆筒 型机墩采用最多。 第五节 发电机机墩 1）垂直静荷：结构自重；发电机、机架及附 属设备重。 2）垂直动荷：发电机转子带轴；励磁机转子 重；水轮机转轮重；水轮机转轮轴向水压力。 3）水平动荷：正常运行与飞逸时由于机组偏 心所引起离心力。 4）扭矩：转子与定子磁场作用引起扭矩，分 正常运行和短路两种工况。短路扭矩是正常扭 矩的3-5倍。 作用在机墩上的荷载 计算情况 机墩的计算情况为： 1）正常运行情况。荷载组合: 垂直静荷+垂直动荷+正常水平动荷+正常扭矩。 2）短路情况。荷载组合: 垂直静荷+垂直动荷+正常水平动荷+短路扭矩。 3）飞逸情况。荷载组合: 垂直静荷+垂直动荷+飞逸水平动荷。 计算机墩立柱应力并校核确定 是否配筋。 A、轴向正应力x的计算； B、环向剪应力 计算； C、主应力和孔口应力计算； D、计算内力和配筋。 静力计算 圆筒式机墩的计算 水平推力引起的环 向剪应力； 水平扭矩引起的 环向剪应力 动力计算： A、校核是否发生共振： 自振频率 强迫振动频率 分别为垂直、扭转、水平（径向） 自振频率，可由相应计算确定。 分别为正常运行偏心振动、飞逸 运行时偏心振动、叶片与固定导叶水力不平衡 强迫振动频率，可由相应计算确定。 B、动力系数校核： 由于 的计算不很精确， 为安全计，机墩强度计算时 采用的动力系数不能小于 1.2 1.5。 C、振幅验算： 振幅验算包括： 垂直振幅A1；水平径向振幅A2 ；水平扭转振幅A3。 振幅验算要求： 垂直振幅小于0.15mm。 水平振幅小于0.20mm。 1、结构型式 发电机风罩一般为圆筒式， 厚度30-50cm。风罩底部与机 墩整体连接，顶部与发电机 楼板的连接。连接方式有三 种型式: 风罩 机墩 楼板 发电机风罩 2、结构计算 (1)计算情况和荷载组合 风罩计算情况为: 1)正常运行； 2)正常运行+温度影响力； 3)施工情况。正常运行+施工荷载 风罩有这样几种荷载：结构自重;发电机层楼板 荷载; 发电机上机架千斤顶推力;（正常运行时） 温度影响力；施工荷载（施工时发电机安装调 圆时千斤顶传给风罩的推力）。 1)薄壁圆筒 将风罩取为薄壁圆筒，按轴对称力矩理论计算 内力。圆筒的约束情况为：底部固结，顶部则 视与发电机楼板的连接方式而定。 2) 形框架 风罩与发电机楼板整体连接时，可以在风罩上 切取圆周向为单宽的竖向杆件，连同楼板组合 成形框架，竖杆底部为固结。 (2)计算方法: 3、钢筋配置 风罩配置竖向和环向钢筋， 都是内外壁各布置一层。 环向筋一般为1020mm， 间距为2025cm。 竖向筋一般为1630mm， 间距为1620cm。 根据金属蜗壳外围混凝土结构的受力情况，可分 为三种结构形式。 1、钢蜗壳外铺设垫层后浇筑外围混凝土（简称垫 层蜗壳）； 2、钢蜗壳在充水保压状态下浇筑外围混凝土（简 称充水保压蜗壳）； 3、 钢蜗壳外直接浇筑混凝土，既不设垫层，也不 充内压（简称完全联合承载蜗壳）。 第六节 金属蜗壳 结构形式 蜗壳与外围混凝土 结构示意图 充水保压蜗壳充水保压蜗壳 垫层蜗壳垫层蜗壳 钢蜗壳外包垫层与混凝土隔开的结构，以往在我 国和苏联普遍采用，只要钢蜗壳的材料选择正确 ，工艺及安排措施适当，蜗壳是可以安全工作的 。但是这种结构存在着一些问题： （1）设计时考虑由钢蜗壳单独承受内水压力， 因此钢板用量多。 （2）壳体与座环连接处，特别是采用蝶形边连 接时，壳体有弯曲应力，而且正好位于焊缝处， 对强度不利；垫层末端处壳体有局部应力集中。 垫层蜗壳 （3）垫层材料仍然会传递荷载，因而内水压力实 际上不可能由钢蜗壳完全承担，必然有部分内压外 传，外包钢筋混凝土必须考虑这部分荷载。而且由 于垫层材料变形是非线性的，且可能随时间变化， 要精确地估计传给混凝土的载荷比例是比较困难的 。 （4）钢蜗壳与外包混凝土之间有垫层，二者不能 形成整体，对机组抗振和钢蜗壳抗疲劳不利。 这些问题， 随着机组容量的增大， 会更加明显。 采用铺垫层的蜗壳，单机容量最大的， 国内是三峡和龙滩水电站，单机70万 kW，国外是俄罗斯克拉斯诺雅尔斯克 水电站，单机50万kW。苏联专家认为 ，这种型式蜗壳HD值的极限是1200m2 ，更大的蜗壳不宜采用垫层。 电站名称刘家峡龙羊峡李家峡彭水三峡龙滩 拉西 瓦 克拉斯诺 雅尔斯克 单机容量 /MW 300320400350700700700500 蜗壳进口 直径/m 6.56.58.09.7412.48.76.88.7 钢板最大 厚度/mm 4044506575746435 蜗壳最大 水压/m 140180164140143242276130 屈服极限 /MPa 400490490490490490470400 国内外大型垫层蜗壳有关参数 充水保压蜗壳 钢蜗壳充水保压状态下浇筑外包混凝土的蜗壳 结构，是一种部分联合承载的结构。充水的水 压愈大，联合承载的程度愈小。 充水保压的蜗壳主要有以下一些优点： （1）钢蜗壳及外包混凝土内应力比较均匀。 （2）钢蜗壳与外包混凝土之间的荷载分配比例 可以根据需要选择，而且荷载分配明确可靠。 （3）运行时，钢蜗壳能贴紧外包混凝土， 可以依靠外包混凝土减少蜗壳及座环的扭转 变形，减少机组振动，有利于稳定运行。 充水保压蜗壳对减少机组振动、保证机组运 行稳定性的作用，对于大型机组和抽水蓄能 机组更加重要，这也是这二种机组广泛采用 充水保压蜗壳的主要理由。 实现充水保压蜗壳，主要需要付出的代价： （1）增加了加压设备的费用。 充水保压的主要设备是蜗壳进口闷头及座环 内封环。这二件的重量一般为水轮机总重的 10%。如果一套加压设备供4 台机组使用，则 相当于每台机增加了水轮机重的2.5%。 （2）增加了机组安装工期。 根据国内常规机组蜗壳及进口的抽水蓄能 机组进行水压试验及充水保压浇筑混凝土 的实践看，需要占用机组安装工期2 周。 对于新设计、机组尚未招标的电站，可以 通过机组安装的总体进度安排，保证机组 按期投产。 美国长期以来，多采用充水保压浇筑混凝土的 蜗壳。加拿大对中高水头的大机组多采用充水 保压的蜗壳，其中有拉格朗德二级、邱吉尔瀑 布等大水电站。在巴西， 20 万kW 以上的机组 ， 即使水头不高，采用充水保压蜗壳。西欧对 大中型机组， 多采用充水保压蜗壳。 西方的单机容量超过50万kW机组的水电站，无 一例外都采用充水保压蜗壳。此外，高水头、 大容量的可逆式抽水蓄能机组，采用充水保压 蜗壳居多。 我国近年来也开始采用充水保压的蜗壳。 1991年开始发电的天生桥二级电站1 4 号 机组（ 单机容量22 万kW）是我国大型机组 最早采用充水保压蜗壳的。（广蓄、潘家口 抽水蓄能、十三陵、二滩水电站、天荒坪抽 水蓄能电站等）。 随着更多的大容量、高水头常规机组和大容 量抽水蓄能机组的建设，充水保压蜗壳在我 国有更多应用的趋势。 电站名称广蓄天荒坪二滩瀑布沟三峡小湾依泰普 大古力 单机容量 /MW 300300550600700700715700 蜗壳进口 直径/m 2.32.06.688.012.46.59.6410.6 钢板最大 厚度/mm 8070657575708043 蜗壳最大 水压/m 775800241245139.5290171123 屈服极限 /MPa 490490490360630 国内外大型充水保压蜗壳有关参数 完全联合承载蜗壳 苏联是这种蜗壳的首创者。从60年代起，苏联 在克拉斯诺雅尔斯克和布拉茨克两座巨型水电 站开展了钢衬与钢筋混凝土联合承载的研究。 萨扬舒申斯克水电站及其64 万kW 机组也是世 界上迄今采用完全联合承载蜗壳的最大水电站 和最大机组。 北欧国家和日本采用完全联合承载蜗壳的较多 ，但是与苏联不同。 我国尚无完全联合承载蜗壳的工程实践。 八十年代曾经结合龙羊峡水电站300MW机组 进行了完全联合承载结构的整体结构模型试 验，取得了研究结果。本世纪初，结合三峡 水电站700MW机组，进行了完全联合承载结 构的可行性论证研究，提出了在三峡水电站 右岸厂房或地下厂房机组采用完全联合承载 蜗壳的建议，但是没有做深入的研究。 电站名称景洪 三峡15# 机 努列克英古里萨扬舒申斯克 单机容量/MW300700300260640 蜗壳进口直径 /m 11.212.44.23.06.5 钢板最大厚度 /mm 4075323640 蜗壳最大水压 /m 96139.5380550286 屈服极限/MPa320490300300400 国内外大型完全联合承载蜗壳有关参数 1、设计荷载和计算情况： A、结构自重； B、由发电机支撑结构传来的荷载； C、水轮机层地面活荷载。 正常运行情况为上述三种基本荷载的组合。 蜗壳外围结构设计 目前外围结构设计中，一般还是采用平面框架 结构力学方法计算内力。 2、内力计算 蜗壳外围结构是指水轮机层以下蜗壳外围的二 期钢筋混凝土结构，它是一个整体性强的空间 结构，体型复杂，除了用三维有限元分析其空 间应力状态外，还没有精确的方法可用来计算 蜗壳外围混凝土结构。 形框架的取法有两种，一种等截面；一种变截面。 从蜗壳进口断面开始选择若干个断面，在每个计算 断面上径（蜗）向切取单位宽度，按平面变形问题 形框架计算内力。即平面框架法。 1)等截面框架（图b、c） 框架由截面不变的横梁和立柱组成。一般取横梁和 立柱的中心线组成框架计算简图。A端为铰支，C或 G端为固结，B点要考虑刚性节点的影响。等截面 方法还可分为不考虑实际截面高度和考虑实际截面 高度两种情况。 根据计算简图，这个钢架是个二次超静定 结构，采用弯矩分配法进行计算较为简便 。分别计算前述三个荷载作用下的跨中弯 矩和固端弯矩，根据叠加原理，得出总弯 矩图。 由于蜗壳外围混凝土结构尺寸较大，计算 需考虑剪切变形和刚性节点的影响。 2)变截面框架（图d） 变截面框架比等截面框架接近结构体形一些， 但计算比较复杂。 3、配筋计算 设弹性垫层的金属蜗壳外围结构几乎 不承受内水压力，但作为机墩的基础 结构，受振动荷载的作用，配筋计算 时，允许混凝土开裂，但限制裂缝的 开展宽度不超过0.3mm。混凝土标号 不小于150号。 弯肘