地下厂房(主变压器室、尾水闸门室)岩锚吊车梁设计

1FJD35140FJD水利水电工程技术设计阶段地下厂房主变压器室、尾水闸门室岩锚吊车梁设计大纲范本水利水电勘测设计标准化信息网1999年10月2工程技术设计阶段地下厂房主变压器室、尾水闸门室岩锚吊车梁设计大纲主编单位主编单位总工程师参编单位主要编写人员软件开发单位软件编写人员勘测设计研究院年月3目录1引言42设计依据文件和主要规范43基本资料44结构设计65施工技术要求166主要设计产品1641引言11工程概况_水电站位于_，是以_为主,兼有_等综合效益的水利水电枢纽工程。电站总装机容量_MW，年发电量_KWH，为地下式发电厂房，共装机_台，单机容量为_MW，电站设计水头_。厂房洞室长_，宽_，高_。12设计任务简介本工程可行性研究初步设计报告于_年_月经_审查通过。确定地下厂房吊车支承结构采用岩锚吊车梁，其基本布置型式详见基本资料。2设计依据文件和主要规范21设计依据文件1_工程可行性研究初步设计报告2_工程可行性研究初步设计报告审批文件3_工程技术设计工作大纲；4_工程技术设计阶段发电厂房设计大纲；5其它文件。22主要规程规范1DL/T50571996或SL/T19196水工混凝土结构设计规范2DL50771997水工建筑物荷载设计规范3SD33589水电站厂房设计规范试行4GBJ8685锚杆喷射混凝土支护技术规范；5有关地质、勘测、试验规范（规程）。3基本资料31工程等别及建筑物级别本工程为_等工程，主厂房主变压器室/尾水闸门室吊车梁为_级建筑物。32岩锚吊车梁布置主厂房主变压器室/尾水闸门室岩锚吊车梁高程平面布置和横剖面分别见图1略和图2略；主厂房主变压器室/尾水闸门室洞室纵轴线方位角为_吊车限制线如图3略。33围岩工程地质条件331地层岩性提示指岩锚吊车梁部位的围岩性状,包括地层岩性、产状及主要物理力学指标如抗压和抗剪强度、弹性（变形）模量、软化系数、泊松比等。332工程地质条件提示指影响岩锚吊车梁布置与结构设计的层面、节理裂隙、断层及其破碎带、软弱夹层的基本情况、地下水的发育情况及其对混凝土和钢筋的侵蚀性情况、围岩的地应力量级及分布情况等。地质构造的主要参数包括产状、延伸长度、充填情况及充填物的性状和力学参数、地下水5活动情况等。34荷载资料341吊车荷载标准值1桥机型号_2台数_台其中大车_台，小车_台；3跨度_；4轨顶高程_；5桥机总重_KN其中大车重_KN,小车重_KN6最大起吊件本体重量_KN7平衡梁及吊具重_KN8最大轮压_KN；提示桥机的最大轮压可按DL50771997第1613条确定。9竖向轮压作用值的动力系数_；10吊车轮压分布如图4略。提示若地下厂房内设置两台桥机，由于两台桥机之间的距离通常比轮压影响范围大，在计算岩锚吊车梁单位长度所受荷载时，可只考虑一台桥机的轮压及其所分担的吊具和起吊件的重量。342梁面荷载标准值1防潮隔墙荷载_KN/M；2钢轨型号_，轨道及附件重量_N/3二期混凝土重量_KN/M2；4梁面人行荷载_KN/M。提示由于梁面行人荷载不大，而且在实际运行时一般不会与最大件起吊荷载同时出现，因此不与最大件起吊荷载组合，在计算中也往往不予考虑。343荷载分项系数荷载分项系数如表1。表1荷载分项系数荷载名称荷载分项系数备注梁体自重105梁上防潮隔墙及二期混凝土重105桥机大车重、小车重105桥机轨道及附件重105吊物重110横向水平刹车力110平衡梁及吊具重11035材料特性351混凝土6吊车梁结构混凝土强度等级为_。设计强度与标准强度指标为轴心抗压_N/MM2,FCKN/MM2；轴心抗拉_N/MM2，FTK_N/MM2。弹性模量E_N/MM2。泊松比C_。混凝土与岩壁间的抗剪参数设计值摩擦系数_；抗剪断参数_,_N/MM2。352砂浆砂浆标号为M_，与岩壁的粘结力为FCR_N/MM2，与钢筋之间的设计粘结强度为FCS_N/MM2。353钢筋吊车梁结构及锚杆用钢筋的设计强度和弹性模量如表2。表2钢筋设计强度及弹性模量单位N/MM2钢筋种类符号FY或FPYFY或FPYES备注4结构设计41设计内容及步骤411设计内容岩锚吊车梁的结构设计内容，包括荷载分析、梁体断面设计、锚杆设计和构造设计。412设计步骤1资料收集及分析包括基本布置情况,荷载资料,其它工程实例等；2初拟材料规格及强度等级；3初拟岩锚吊车梁断面尺寸包括梁体顶面宽度,梁体高度,岩台倾角,锚杆排数及倾角；4荷载分析主要为单位长度吊车荷载分析；5梁体稳定及锚杆面积计算含优化设计；6梁体配筋计算；7成果合理性分析；8构造设计9观测设计。42结构计算421结构设计有关规定值1建筑物级别_2结构安全级别_3结构重要性系数0_4设计状况系数_；提示在尚未有专门规范规定之前，对设计状况（正常运行工况）建议按持久状况考虑，设计状况系数采用10。75结构系数_。422计算工况及荷载组合根据岩锚吊车梁的结构特性及受力特点，结构设计中一般以起吊最大件情况为设计基本工况，相应的荷载组合中，除轮压荷载（含横向刹车力）外，其它荷载包括结构自重、防潮隔墙重力、二期混凝土及埋件（含钢轨）重力，其中轮压应计必要的动力系数。423梁体断面初拟岩锚吊车梁的基本断面如图5。基本尺寸包括梁体顶面宽度，梁体高度，岩台角，梁体底面倾角0，锚杆倾角1和2。图5岩锚吊车梁基本断面图提示结构系数可参照DL/T50571996中的表421和GBJ8685确定。由于岩锚吊车梁承受的荷载加大，结构复杂，确定锚杆的承载能力时相应于GBJ8685中的安全系数应比普通系统支护锚杆适当提高，通常采用2225。根据这一数值范围和岩锚吊车梁各种荷载的分项系数的大小，在尚未有专门规范规定之前，对岩锚吊车梁锚杆强度设计，可取结构系数210235。有关钢筋混凝土结构设计的结构系数按DL/T50571996（SL/T19196）确定。提示（1）梁体顶面宽度12式中1轨道中心线至洞室边墙开挖面的距离，包括吊车梁以上岩壁喷混凝土厚度、防潮隔墙内空隙净宽、防潮隔墙厚度、桥机端部至防潮隔墙的最小距离必要时应考虑人行道宽度、桥机端部至轨道中心线的距离2轨道中心线至吊车梁边缘的最小距离，一般取300MM500，当桥机的轮压较大时取大值，反之取小值。对特大型吊车，尚应适当加大。2梁体悬臂长度4梁体悬臂长度4应满足下式要求42且应满足4032式中梁体以下防潮隔墙内边线至岩壁的距离，包括边墙喷混凝土厚度、梁体以下防潮隔墙厚度及防潮隔墙内空腔净宽（参见图5）。8424单位长度竖向轮压和水平横向刹车力H计算4241单位长度竖向轮压计算3岩台角岩台角应综合考虑岩层、主要构造及节理裂隙的影响，在能确保岩台面的开挖成形保证率不低于80的情况下，取值范围一般为1535，最终取值还应根据岩锚吊车梁断面尺寸、锚杆的布置及受力状况优选确定。4梁体底面倾角0在吊车荷载作用下,为使梁体具备足够的抗剪强度,梁体底面倾角0不宜太大,按一般牛腿的设计经验和已建工程岩锚吊车梁的设计实例及有关研究成果，一般取值范围为2050,常用3045，使岩锚吊车梁断面底部锥顶角为7080。5梁体高度为满足抗剪要求，避免在梁体内配置水平箍筋，参考DL/T50571996中“壁式连续牛腿”高度计算公式（式1083）和该规范第1084条规定，梁体高度宜同时满足167BFFHCVD333C4C2式中梁顶面钢筋保护层厚度；FV作用于吊车梁单位长度上的竖向设计荷载,N；B1计算长度,取单位长度1000；结构系数,为12；其它符号意义同前。6上部受拉锚杆倾角1、2根据已建工程经验，一般上排受拉锚杆的倾角取1525，下排受拉锚杆的倾角一般比上排锚杆的倾角小510，最终采用的锚杆倾角应结合地质条件通过多方案计算结果综合比较后确定，锚杆倾角应与岩层层面（层状岩体）及比较发育的结构面有一定的交角。提示由于岩锚吊车梁结构计算中常取单位长度的轮压Q简称单米轮压进行分析计算,其确定方法有如下几种方法1经验法QP/L式中P作用于计算长度L范围内的轮压（考虑了荷载的动力系数）之和；L轮压分布计算长度，可按图A中的A或B求出。图A轮压分布长度计算示意图94242单位长度内水平横向刹车力H计算425岩锚吊车梁裂缝控制条件复核1挪威法其轮压分布示意图如图B所示。图B轮压分布长度计算示意图1吊车单侧的轮子数为4个时的单位长度轮压4P/3L1L22吊车单侧的轮子数为8个时的单位长度轮压8P/5L12L2L33对大型工程，为安全计，常取8P/4L12L2L33“壁式连续牛腿”法参照DL/T50571996的计算方法，单位长度轮压为PB0式中B05303，M；A轨道中心线至梁体下部岩壁面的距离，42,MK吊车的大车轮距，2L1L2L3,MP吊车单侧各轮压之和。当吊车的单侧轮子数量为4个时,轮压分布宽度可取上式B0的一半计算。4弹性地基梁法将岩壁视为弹性地基，岩锚吊车梁梁体结构视为地基梁，用弹性地基梁计算理论，分析给出梁体在吊车轮压作用下的地基反力分布情况，然后根据地基反力分布图，取最大1地基反力值作为岩锚吊车梁单位长度上的轮压值。当吊车的单个轮压值较小不大于500KN时，一般采用上述前三种计算方法综合确定单位长度上的轮压即可；但当吊车单个轮压巨大时，宜采用弹塑性有限元计算方法，或仿真材料模型试验方法，甚或采用现场原型试验法，最终确定单位计算长度上的轮压。提示参照DL50771997第161节，单位长度上吊车横向水平刹车力可按下式计算P2H002QP1P2式中P1大车重力；P2小车、吊具和最大起吊件的重力之和。提示关于岩锚吊车梁的裂缝控制问题，由于岩锚吊车梁结构的特殊性，目前存在二种不同意见，一是不进行复核，二是认为应进行复核。武汉水利电力大学侯建国等教10426锚杆设计4261锚杆轴力计算授根据龙滩水电站岩锚吊车梁模型试验成果，推荐按下述公式核算1斜截面裂缝控制条件/5010HBFFKFTKHCV2岩锚吊车梁与岩壁交界面的裂缝控制条件TKHVCFB64602式中FV作用于岩锚吊车梁顶部的竖向力标准值（1宽度内）；FH作用于岩锚吊车梁的水平拉力标准值（1宽度内）；岩锚吊车梁的设计宽度，取为1；H0岩锚吊车梁底面与岩壁交接处的垂直截面有效高度；A竖向力作用点至围岩斜面的1/3水平投影长度，如围岩壁为铅直面时，取竖向力作用点至岩壁铅直面的水平距离；TK混凝土轴心抗拉强度标准值；KC系数，取为125；H岩锚吊车梁底面与岩壁交接处的垂直截面高度。提示根据初步拟定的锚杆倾角，假定锚杆为轴心受力构件，可采用下述方法计算锚杆轴力方法一刚体平衡法1假定岩锚吊车梁梁体为刚体，不计混凝土与岩壁之间的凝聚力，只考虑斜面上正应力引起的摩擦力，岩锚吊车梁的上部锚杆按轴心受拉构件考虑，只承受拉力，不承受剪力；下部锚杆不承受吊车梁上的荷载，只作为附加固定作用。锚杆内力按力系平衡法求出，然后根据锚杆内力计算结果对梁体进行岩台面和主要结构面的抗滑稳定及岩体抗压承载力核算，如不满足要求，则调整梁体断面及锚筋布置倾角重新计算。2锚杆内力按下述方法计算根据受力分析图（参见图C），以吊车梁底部锚杆与岩台面交点为坐标原点，建立坐标轴，根据刚体平衡理论，并假定受拉锚杆的轴力与其力臂成正比，不计梁体顶面行人荷载，可得出如下方程组F1L1F2L2WLWQLQGLGHLHF1/F2L1/L2然后根据解出的F1和F2计算岩台面上的切向力T（滑动力）和法向压力N（一般情况下，常为901和902）下续11TQGWCOSHSINF1SIN1F2SIN2NQGWSINHCOSF1COS1F2COS2图C岩锚吊车梁受力示意图式中F1、F2岩锚吊车梁上部受拉锚杆轴力；Q作用于吊车梁单位长度上的竖向轮压设计值（包括钢轨重量）；H单位长度上吊车水平横向刹车力；G单位梁体自重（包括二期混凝土）；W单位长度上梁顶面防潮隔墙重量；N作用于岩台面上的正压力；T作用于岩台面上的滑动力；L1、L2、LW、LQ、LG、LH分别为岩锚吊车梁受拉锚杆轴力、防潮隔墙重量荷载、轮压、梁体自重以及单位长度吊车水平刹车力对坐标原点的力臂。3接触面及主要结构面的抗滑稳定复核应满足下式要求T/NF式中F梁体混凝土与岩台面的摩擦系数，一般应小于10，且小于岩面与梁体混凝土的允许摩擦系数。方法二格栅梁法将岩锚吊车梁梁体划分为双向格栅梁，锚杆视为弹性链杆，岩台面为弹性地基，沿吊车梁纵向取吊车轮压分布长度的23倍范围，用弹性理论按空间结构进行计算。方法三弹性有限元计算分析法采用弹塑性理论，对岩锚吊车梁梁体、锚杆及一定范围的围岩（考虑主要结构面）进行整体有限元计算分析，求出锚杆内力、岩锚吊车梁和岩体（包括梁体与岩台的接触面）应力，并复核各自是否满足强度要求。方法四仿真材料模型试验法采用仿真材料对吊车梁梁体、锚杆及岩壁（包括主要结构面如层面、断层、软弱夹层等）进行模拟承载力及破坏承载力试验,以验证设计的合理性。方法五现场模型试验法利用现场试验洞，选择岩体与岩锚吊车梁岩台及岩壁岩体相似的部位，按设计拟定的岩锚吊车梁设计方案，浇筑一定长度的岩锚吊车梁，模拟吊车荷载作用，观测岩锚吊车梁结构及锚杆的受力情况和围岩变形情况，以验证设计方案的合理性，并核定岩锚吊车梁结构设计中采用的主要设计参数的合理性。当单个轮压小于500时，可按方法一进行计算；当单个轮压大于500N124262锚杆参数选定但小于700N时，应在方法一计算的基础上，采用方法二或方法三进行补充计算；当单个轮压大于700N时，宜在前述三种计算方法的基础上，采用方法四和方法五进行补充研究。提示1锚杆面积锚杆面积根据上述锚杆轴力计算成果确定,一般计算公式如下YIDSIFFA0式中ASI单位长度内的第排锚杆面积（一般1，2）；0结构重要性系数；D结构系数,D210235FI考虑荷载分项系数和组合系数及轮压动力系数后的第排锚杆设计轴力（一般1，2）；FY锚杆用钢筋的强度设计值。2锚杆间距为便于施工,且改善岩锚吊车梁锚杆锚固段围岩和岩锚吊车梁梁体的受力条件，锚杆的间距一般为700MM1200MM，且不宜小于700MM。当布置一排锚杆不能满足要求时，上下排锚杆孔口的竖向距离一般为250MM400，上下排锚筋间的孔间距离不宜小于500，且应错开布置。3锚杆直径根据单位长度各排锚杆钢筋的面积及锚杆间距，计算单根锚杆钢筋的面积，然后选择锚杆钢筋的直径，其直径不应大于36。4锚杆锚入岩体长度L锚杆应锚入稳定岩体内，有效锚固段应穿过围岩松动圈。其锚入岩体长度为LLL式中L锚杆锚入岩体内的长度；L围岩松动圈深度；L有效锚固长度。有效锚固长度可按下述方法确定1按GBJ8685之规定，锚杆的有效锚固长度应同时满足CRSTASTFDKLF214式中锚杆钢筋直径；2锚杆孔直径；锚杆钢筋抗拉设计强度；水泥砂浆与钢筋之间的设计粘结强度；水泥砂浆与孔壁岩石的设计粘结强度13427梁体结构计算4271梁体纵向配筋计算4272梁体横向配筋计算43设计优化及施工条件复核431设计优化432施工条件复核提示梁体纵向内力可按下述几种方法进行计算1弹性地基梁法2格栅梁法3弹塑性有限元法。然后进行配筋计算。提示岩锚吊车梁梁体的横向受力钢筋计算可参照DL/T50571996中“壁式连续牛腿”的配筋计算方法进行，并参照已建工程实例修正。提示优化设计的内容包括梁体断面尺寸、岩台角、锚杆直径及其倾角的优选，设计中应选取不同的断面尺寸、岩台角及锚杆倾角，分别按424、425、426条计算，最后对各方案进行综合比较，选定设计方案；对大型尤其是超大型工程，尚宜采用仿真材料模型试验法甚至现场模型试验方法进行更进一步的优化研究，以选定安全可靠、经济可行的设计方案。提示施工条件复核的目的在于分析了解和预测实际施工过程中可能出现的,及已经出现的,影响岩锚吊车梁受力状态的各种不利因素,包括超、欠挖和锚杆孔位及倾角偏差影响，以便事先采取必要的安全防范措施，具体反映在如下几个主要方面1岩壁及岩台面超挖平行开挖设计轮廓线超挖；2岩台角因超挖减小；3锚杆孔位偏低；4锚杆倾角偏大；5围岩变位影响。对第1种情况，在设计计算中一般应考虑150MM200超挖量，并对超挖量进行必要的敏感性分析，局部地质条件较差部位应充分考虑到产生更大超挖的可能性，但应采取可靠的施工控制措施，严格控制施工超挖量，否则应采取其它的辅助措施，如修补岩台、设置贴壁支撑柱等。通过关于施工偏差对岩锚吊车梁参数影响的敏感性（如下表）分析,必要时调整锚杆面积AS或岩台倾角K安全系数,取K12。2经验法，按一般工程经验，取有效锚固长度为锚杆钢筋直径的4050倍。对一般大、中型工程的岩锚吊车梁，吊车梁锚杆锚入岩体长度常用5M8，且与洞室边墙上的系统支护锚杆长度相当或略长相邻洞室采用对穿预应力锚杆或锚索情况除外。特大型岩锚吊车梁则往往采用10M12M甚至更长的锚杆1444构造设计441梁体构造设计等参数。对第2种情况，由于受施工因素影响大，除在施工中严格控制施工质量和采用可靠的施工方法外，可在结构计算中针对不同的岩台角进行敏感性分析，包括当岩台角为0时的极限情况。锚杆布置时应综合考虑岩台角敏感性分析的结果（如下表）。对第3、4两种情况，由于锚杆孔位及倾角偏差对锚杆的受力状况影响大，故除在设计要求中应严格控制该偏差值一般孔位偏差不大于30，倾角偏差不大于2外，在设计中宜考虑30MM50MM孔位偏差和23的倾角偏差。岩台角及超（）欠（）挖敏感性分析表岩台角超（）欠（）挖F1KNF2KNAS1MM2AS2MM2T/N备注上岩壁CM下岩壁CM00151515152020202015201020015020对第5种情况,围岩变位对岩锚吊车梁结构受力的影响，可通过三维空间有限元分析计算结果,判断了解施工过程中围岩变位对梁体结构及锚杆受力可能产生的影响，或者在设计中适当加大岩锚吊车梁锚筋及梁体纵向配筋，以提高岩锚吊车梁的超载能力。提示1材料梁体混凝土的强度等级不应低于C25，受力钢筋一般为级，受拉锚杆一般采用级钢筋，必要时，也可以采用其它高强钢筋。2为改善吊车梁梁体及锚杆的受力条件，避免吊车梁端部产生过大的受力集中，梁体沿纵向应伸出吊车阻进器以外一定长度，具体长度视洞室纵向布置情况而定,一般情况外伸长度为500MM1000。如布置上有困难时，应在吊车梁端部采取加强加固措施,如增加锚杆面积或根数，局部加大梁体断面尺寸或设置附加支撑结构如贴壁柱。3为避免形成端部受力集中，除与其它型式的吊车梁相接部位外，沿岩锚吊车梁纵向一般不设置永久缝，但应设置施工缝。分缝长度视施工条件定，一般不宜大于20。沿梁体纵向钢筋应跨缝布置，缝面设键槽和插筋，并进行凿毛处理，键槽面积一般约为梁体总断面面积的1/3。4与其它型式的吊车梁如跨交通洞时采用的简支梁连接部位应设置永久结构缝，并在岩锚吊车梁靠永久缝端部设置附加支撑结构，如牛腿或支撑柱轮压较小时可采用贴壁柱等，以及适当加强该部位的岩锚吊车梁锚杆布置。15442锚杆构造设计5为确保岩锚吊车梁具备较好的受力条件，应尽量避免紧邻岩锚吊车梁的下部开挖形成较大的支洞，当不可避免时，应保证该洞室顶部距岩锚吊车梁底部的最小距离不小于25M3，当轮压较大如单个轮压大于700KN或梁体下部的支洞跨度较大以及地质条件较差时该距离尚应适当增加，并对梁体下部的支洞洞口段围岩进行加强支护处理。6梁体纵向配筋除按计算要求配置外，其最小配筋率不宜少于015，其中梁体周边纵向钢筋的最小配筋率不少于01，其余纵向钢筋均布于梁体内部。关于纵向配筋面积的计算，目前国内有三种观点，一是按梁体全断面考虑，二是按图D中的阴影图D中的阴影部分面积考虑，三是按一般构造要求配置。图D7梁体横向除配置受力钢筋其最小配筋率应不小于02，最大配筋率不宜大于06外，沿梁体高度方向应均匀配置横向水平拉结筋，其间排距一般为200MM300MM，直径一般为12MM16MM的级钢筋。梁体钢筋混凝土保护层厚度按一般水工混凝土结构取值。8为排除梁体以上岩面的渗水，一般宜在吊车梁的顶部设置排水沟，并分段布置排水管，将渗水集中引至梁体以下。提示1为保证岩锚吊车梁梁体与锚杆的可靠连接，岩锚吊车梁受拉锚杆锚入梁体内的有效锚固长度不应小于4550倍锚筋直径，小于此值时应在锚筋的端部帮焊附加锚固钢筋该钢筋可采用梁体内的最小钢筋。2为改善岩锚吊车梁上部受拉锚杆的受力条件，避免该锚杆在浅部岩体内产生过大的应力集中，尤其是避免吊车荷载对岩壁浅部岩体稳定性的影响，宜对受拉锚杆的孔口段采取涂沥青或外包塑料膜或加套管等措施并予以防锈处理，该处理段伸入岩体内的长度不宜小于岩壁吊车梁部位岩壁的实际爆破松动圈深度，且不宜小于1500MM1800MM，该处理段伸入梁体内的长度不应小于200MM计算锚杆锚入梁体内的锚固长度时，应扣除此部分长度。3锚杆孔的孔径宜比锚筋直径大30MM40MM，锚杆用砂浆的强度等级不宜低于M25。伸入梁体内的锚杆钢筋的混凝土保护层厚度一般不宜小于100MM。4岩锚吊车梁底部锚杆的锚筋直径一般为25MM32MM，间距一般与该部位的围岩系统支护锚杆相当，间距一般为1000MM左右。5岩锚吊车梁高度范围内的岩壁系统支护锚杆宜伸入梁体内一定长度，以增强梁体1645观测设计5施工技术要求1锚杆的孔位偏差不