第九节 主厂房的结构布置设计

第九节主厂房的结构布置设计水电站厂房的布置设计包括机电设备的布置和结构布置两个方面。

前者的任务是妥善安排各种机电设备的位置，给它们创造良好的安装、检修及运行条件；而厂房结构布置设计的目的是确定厂房的结构型式，决定各构件的相互连接关系，估计各构件的尺寸，为结构分析打下基础。

这两者密切相关、相辅相成，必须同时进行。

前面各节主要讨论了机电设备的布置原则和规律，本节简介结构布置设计的基本概念。

进行结构布置设计时，先参考已建成的类似厂房初估各构件的尺寸，再按结构计算的成果对这些尺寸进行必要的修改。

鉴于副厂房的结构与一般工业与民用建筑相似，以下只讨论主厂房的结构布置。

一、主厂房结构系统传力情况水电站主厂房结构系统的传力情况大致如下：这是基本的但较粗略的传力情况，某些细部结构的传力情况可能各有不同，例如一部分砖墙及各层楼板的荷载可能直接传至上下游墙而不传给构架；为了减小机组运行时振动对楼板上设备的影响，楼板可能与机座分开，则各层楼板的荷载就不再传至机座等等。

二、上部结构水电站主厂房的上部结构包括屋面系统、构架、吊车梁、围护结构（外墙）及楼板，通常为钢筋混凝土结构。

其中构架是上部结构的骨骼，它在横向为Π形构架，在纵向则以联系梁、吊车梁等相连接，形成空间骨架。

其上支承着屋顶，中间支承着联系梁及吊车梁，四周围以墙及门窗，下面还可能支承着楼板。

此骨架座落在下部块体结构上。

(1)屋顶。

屋顶一般采用预制钢筋混凝土大型屋面板，直接支承在相邻两构架的横梁上，屋面板的长度等于构架的间距。

在特殊情况下，也可采用现浇的肋形板梁结构。

屋顶的主要作用是隔热、遮阳光及避风雨，故屋面板之上还要设隔热层、防水层及保护层。

(2）构架。

我国水电站厂房构架一般为钢筋混凝土结构，大型厂房中也采用钢桁架式构架。

厂房构架在结构上分为整体式及装配式两种。

整体式构架（刚架）的立柱与横梁浇筑成一整体，成为刚性连接。

其结构刚度大，但模板工作量大、施工干扰多、养护时间长。

装配式构架（排架）的屋顶横梁是预制的，在立柱浇筑完毕后将横梁吊上去安装，用螺栓将横梁与立柱连接在一起，或将大梁与立柱的钢筋焊在一起再进行填缝。

这种构架的立柱与横梁的结点为铰接，其刚度较小，施工中要有合用的吊装设备。

整体式及装配式构架的立柱与下部块体结构间一般都做成固接。

整体式构架的横梁常采用矩形断面，梁高一般为跨度的1/12～1/8。

装配式构架的横梁常采用T形或工字形断面，横梁顶沿长度方向呈双坡，跨中高度等于跨度的1/10～1/15。

当横梁跨度较大时，可采用预应力结构或桁架式结构。

构架立柱一般为矩形断面，也可采用工字形断面以节约材料。

布置厂房构架时要使构架间距与机组段长度协调一致，每一机组段设2～3个构架，构架间距一般为6～10m。

间距不宜过大，以免使吊车梁跨度太大，且尽可能等跨布置，以简化设计与施工。

在温度缝处，一般在缝的两侧各设一构架，成为并列构架，使受力状态明确。

在地基条件较好，吊车荷载不太大的情况下，可只在温度缝一侧设单构架，另一侧的吊车梁、联系梁、屋面板等跨越温度缝简支在该构架上，如图16-5所示。

构架布置与下部结构布置也要统筹考虑。

构架要固接在下部结构的一期混凝土上，以便尽早浇筑、尽早安装吊车，加速二期混凝土施工及机组安装。

但构架立柱要避免直接座落在尾水管、蜗壳或钢管的顶板上。

决定下部结构尺寸时，要保证立柱的固接条件，使基础刚度大于立柱刚度的12～15倍，同时尽可能抬高基础高程，缩短立柱，改善受力状态。

在图16-3～图16-8所示厂房中，共设有11座横向构架，自装配场西端起依次编号为①～⑾（见图16-5)。

构架为Π形刚架，整体浇筑。

屋顶大梁为双坡，梁宽80cm，高130～150cm。

立柱为两段阶形柱，吊车梁以下断面为80cm×140cm，吊车梁以上为80cm×80cm。

上游立柱柱脚固定在110.20m高程处，下游立柱固接在水轮机层高程115.98m的一期混凝土上。

在屋顶大梁与立柱刚接点处设50cm×100cm纵向联系梁，吊车梁高程处设60cm×160cm纵向联系梁，装配场、发电机层等高层处还设有多道纵向过梁。

整个主厂房由装配场、#1、#2机组段及#3、#4机组段基本上独立的三个立体构架组成，但⑦⑧号构架间(#3机组段）的吊车梁、联系梁、过梁、发电机层楼板及次梁等跨越伸缩缝支承在⑦号构架上。

③④号构架间（#1机组段）的情况与此类似，有些梁和板跨越伸缩缝支承在③号构架上。

图16-10所示厂房亦装有4台机组，分缝情况与图16-3所示厂房相同，但温度缝两侧构架为并列构架，故共有13座构架，通过横梁立柱交点处及吊车梁高程处的纵向联系梁组成三个完全独立的空间构架，如图16-14所示。

这13座构架中，①⒀号为端构架，底部固接在顶高程为94.5m的混凝土端墙上；②③号为装配场构架，底部固接于装配场下层高程为90.5m的底板上，因装配场楼板（高程94.5m)大梁与构架整体浇筑，故该处有刚性支撑。

③④号构架（及⑧⑨号构架）为并列构架，分设在温度缝两侧。

④号构架立足于顶高程为90.5m的边墙上，高程94.5m的铰接横向支撑为发电机层楼板大梁。

由于发电机层楼板为二期混凝土，该横向支撑在二期混凝土完工前并不存在，故该构架要按有、无横向支撑两种情况设计。

⑤号至⑿号构架上游立柱固接于87.1m高程的水轮机层块体结构上，下游立柱固接于名9.5m高程处的尾水平台支墩上，高程94.5m处的发电机层大梁仍作为铰接横向支撑（故亦应考虑有、无此支撑两种情况），不过⑤⑦⑩⑿号构架处发电机层楼板大梁被机座切断而铰接在机座上。

主厂房高程90.5m处虽有出线层楼板大梁，但此大梁简支在构架立柱的牛腿上，大梁与牛腿之间设有油毛毡垫层，因此大梁只将垂直力传给立柱，不传递水平力及弯矩，故对构架无支撑作用，图16-14中也就未绘出了。

图16-14 黄坛口水电站主厂房构架示意图(3)吊车梁。

为节约钢材，我国多采用钢筋混凝土吊车梁，支承在构架立柱的牛腿上。

其结构形式可为现浇整体式或预制装配式。

前者施工困难，不便预加应力，但可做成多跨连续梁，后者便于施工，便于预加应力，造价低，但需要相应的起吊设备。

吊车梁常采用T形断面，其高度一般为跨度的1/5～1/8，梁宽大约为梁高的1/2～1/3。

翼板厚度一般为梁高的1/6～1/10，宽度不小于35cm。

图16-3所示厂房中吊车梁为T形钢筋混凝土梁，梁高160cm,腹板厚60cm,翼板120cm，厚20cm。

先做成单跨梁，吊装就位后再连成双跨连续梁。

(4)外墙。

水电站主厂房上部结构的外墙一般不承重，只起围护和隔离的作用，常采用砖墙。

当外墙要承受较大的水压力时，可做成钢筋混凝土墙。

(5)楼板。

水电站主厂房楼板的特点是形状不规则、孔洞多、荷载大、有冲击荷载等。

楼板多采用板梁式结构，在构架上下游立柱间或构架立柱与机座间设主梁，当主梁跨度过大时，可在主梁下加设立柱；主梁之间布置次梁；其上支承着楼板。

进行厂房平面布置时，要同时考虑梁格的布置方式，因为在各种孔洞周围，如调速器、油压装置、蝴蝶阀吊孔、吊物孔、楼梯等周围最好也布置次梁，且次梁间的楼板最好是单向板，以简化构造、方便施工。

楼板的厚度不宜小于15cm。

有时楼板也可采用纯板式结构，在每一机组段内，除必要的构架横梁外，全部为板，钢筋则按辐射状及环状放置。

有的水电站上，为了避免机组振动引起楼板和设备振动，将楼板与机座完全分开，靠近机组的楼板可布置一个圈梁或按悬臂板进行设计。

楼板与机座完全分开的另一个好处是楼板可以先施工。

装配场楼板承受的荷载特别大，因而均采用整体式板梁结构，而且主梁下常加设中间支柱。

在火车轨道或变压器轨道下常设专门的梁柱系统。

楼板厚度不小于25cm。

图16-15 湖南镇水电站发电机层楼板梁格示例（单位：cm）图16-15绘出了图16-3所示水电站#4机组段发电机层楼板主次梁布置情况。

由图可见，⑨号构架上下游立柱之间设有断面为60cm×100cm的主梁，由于跨度大，在其下设有60cm×60cm立柱一根。

发电机风罩与⑩号构架上游立柱之间也有60cm×100cm主梁一根；风罩与下游立柱之间间距较小，不再设梁。

主梁之间布置有40cm×80cm次梁；在油压装置下加设了两根25cm×50cm的小梁。

楼板厚25cm，除布置调速器机械柜的那一块板按双向板计算外，其余均按单向板或连续板计算。

副厂房楼板厚10cm,设有40cm×80cm的主梁及25cm×50cm的次梁，楼板按连续板计算。

由图16-4可以看出，装配场仅下游侧有楼板，板厚30cm,构架下游立柱与岩石之间设有60cm×120cm 的主梁，变压器轨道下设有两根40cm×80cm的次梁。

三、下部结构水电站厂房下部结构主要由机座、蜗壳、尾水管、基础板和外墙所组成。

下部结构中以块体结构为主，其他非块体结构也多是厚实的粗柱、深梁、厚板。

机座、蜗壳、尾水管等结构的尺寸主要决定于布置及运行的要求，见第三节。

引水式地面厂房的下游墙最高尾水位以下部分要承受较大的水压力，必须满足防渗抗裂要求。

它常按底部固接在下部块体结构（如尾水管顶板）、上边自由、左右支承在尾水平台支墩上的连续板（或双向板、单向板）设计，因此要合理拟定尾水平台支墩的净距、块体尺寸及尾水管顶板的刚度，改善下游墙的受力状态。

上游墙及端墙一般不直接挡洪，但也可能承受地下水压力和土压力。

在结构布置时，要协调上游墙及端墙与下部结构的连接方式，为外墙提供有效的支承条件，改善受力状态。