框架-剪力墻結(jié)構(gòu)將框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)合，亦稱為框剪結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)中剪力墻的側(cè)向剛度遠(yuǎn)大于框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度[1]。對于水電站廠房結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)若要滿足側(cè)向剛度要求，則需加大結(jié)構(gòu)截面尺寸和空間尺寸才能滿足框架結(jié)構(gòu)的剛度要求和布置要求，從而導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)龐大;另一方面，剪力墻結(jié)構(gòu)不易形成大空間，從而為廠房設(shè)計(jì)和建設(shè)帶來諸多不便[2]。框剪結(jié)構(gòu)既能提供較大的使用空間，又具有較好的抗側(cè)性能，提高抗震性能。近年來，廠房上部結(jié)構(gòu)越來越多采用框剪結(jié)構(gòu)，本文計(jì)算框剪結(jié)構(gòu)在正常工況下的應(yīng)力和應(yīng)變，是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況

某水電站工程為引水式電站，裝機(jī)容量2×60.5MW。主要建筑物有溢流堰(壩)、進(jìn)水口、引水壓力隧洞、電站廠房及開關(guān)站等。水庫最大運(yùn)行水位1239.00m，引水壓力隧洞長約2400m，最大設(shè)計(jì)水頭780m(含水擊壓力)，電站廠房為地面式廠房，安裝兩臺6噴嘴立軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)，機(jī)組安裝高程554.00m。副廠房布置在主廠房上游，主副廠房間未設(shè)置永久結(jié)構(gòu)縫，主副廠房長40m，主廠房寬14.2m，副廠房寬8.0m，發(fā)電機(jī)層高程 557.95m，主機(jī)層高程 562.45m，在主機(jī)層562.45m 以上，副廠房高13.2m，共設(shè)3 層;主廠房高12.45m。

材料參數(shù):鋼筋混凝土的重度:c=25kN/m3;水泥砂漿的重度:=20kN/m3;混凝土的強(qiáng)度等級:C30，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值20.1MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.01MPa;混凝土的彈性模量:Es=30000GPa;混凝土的泊松比:μ=0.167;鋼筋的強(qiáng)度等級:HRB400;鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值:fy=400MPa;鋼筋的彈性模量:Es=20000MPa;鋼筋的泊松比:μ=0.27。

結(jié)構(gòu)荷載:結(jié)構(gòu)及設(shè)備自重;各層樓板裝修層固定荷載:發(fā)電機(jī)層為2kN/m2，其它層為1kN/m2;活荷載:屋面活荷載為5kN/m2，發(fā)電機(jī)層活荷載為50kN/m2，其它層活荷載為10kN/m2;吊車荷載:在滿載情況下的最大輪壓為Pmax=330kN;在滿載情況下的最小輪壓為Pmin=293kN。

有限元模型.廠房模型計(jì)算范圍以水輪機(jī)層為基礎(chǔ)，向下延伸1.5倍廠房高度;以廠房四周邊墻為界限，向四周延伸一倍廠房高度。模型坐標(biāo)系選取為順?biāo)鳛閤向，指向下游為正方向，垂直水流方向?yàn)閥向，指向左側(cè)為正方向，豎直方向?yàn)閦向，向上為正方向。

模型采用線性計(jì)算，故地基與混凝土單元都選Solid45單元[3]。線性計(jì)算中假定混凝土和地基材料為均質(zhì)彈性、各向同性的連續(xù)體。該有限元模型中，單元多數(shù)采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，只有極個別不規(guī)則單元采用6節(jié)點(diǎn)五面體單元。單元大小在不同部位有所不同，在混凝土結(jié)構(gòu)中，控制單元大小尺寸一般不大于100cm×100cm×100cm，距離混凝土結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)的地基單元尺寸則逐漸放大。計(jì)算模型因主要研究廠房上部結(jié)構(gòu)，所以在選取模型范圍時，對下部結(jié)構(gòu)在確保計(jì)算精度的同時，簡化結(jié)構(gòu)模型。整個模型單元總數(shù)85446個，節(jié)點(diǎn)數(shù)116408個，有限元計(jì)算模型。

2 計(jì)算結(jié)果分析

因?yàn)槟Ｐ洼^大，結(jié)構(gòu)的板梁很多，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力云圖不能直觀反映內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變情況，為了清楚表達(dá)廠房內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的具體情況，將廠房板梁從高程上分三個層(▽561.70m ～▽562.50m、▽566.90m ～▽567.70m 及▽570.90m～▽571.70m、▽573.65m～▽575.70m)，而廠房上下游邊墻、左右側(cè)邊墻及主副廠房間的隔墻也獨(dú)立出來，具體分析。因副廠房中間兩層板梁的結(jié)構(gòu)、配筋和荷載相同，所以板梁結(jié)構(gòu)的結(jié)果云圖中只給出其中一層結(jié)構(gòu)的結(jié)果云圖(▽570.90m～▽571.70m)。

從應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果及云圖分析可知:

(1)副廠房結(jié)構(gòu).副廠房梁結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為4.15MPa(▽566.90m～▽ 567.70m 的 X 向)，板結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為 3.18MPa(▽566.90m～▽567.70m的Y向);副廠房水平向位移都很小，最大值為-0.6mm(X向)，豎向最大位移 -2.9mm(副廠房頂板跨中部位)。(2)主廠房結(jié)構(gòu).主廠房梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為7.34MPa(發(fā)電機(jī)層的Y向)，板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為3.45MPa(發(fā)電機(jī)層的Y向);而對于整體廠房結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)的7.34MPa拉應(yīng)力的部位在發(fā)電機(jī)層1#機(jī)組右側(cè)孔洞拐角，應(yīng)力集中比較明顯。主廠房水平向位移都很小，最大值為-0.7mm，豎向最大位移-4.9mm(屋頂板中部的跨中)。(3)邊墻結(jié)構(gòu).廠房邊墻結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力為4.90MPa(▽566.90m～▽567.70m的X向)，而其它部位未有超過1.42MPa的拉應(yīng)力。其水平位移最大值為0.9mm(屋頂主梁與下游中部邊墻結(jié)合處，X向)，豎向最大位移值為-1.6mm。(4)結(jié)構(gòu)的第一、第三主應(yīng)力.第一、第三主應(yīng)力都存在個別應(yīng)力集中現(xiàn)象，這些部位多出現(xiàn)在主次梁結(jié)合處、梁與邊墻結(jié)合處、板與邊墻的結(jié)合處。

對第一主應(yīng)力:板梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位的值在 5.35MPa～7.45MPa區(qū)間，個別梁的跨中主應(yīng)力值在 2.19MPa～4.30MPa區(qū)間，其它部位主應(yīng)力值多分布在-0.96MPa～2.19MPa區(qū)間;墻體結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位的值在3.24MPa～4.93MPa區(qū)間，其它部位主應(yīng)力值多分布在 -0.35MPa～1.93MPa區(qū)間。

對第三主應(yīng)力:整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位的主應(yīng)力值在-10.07MPa～ -12.65MPa，其它部位主應(yīng)力值多分布在 -3.70MPa ～0.77MPa區(qū)間。

3 結(jié)論

廠房部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力都超過了混凝土的允許抗拉強(qiáng)度，需要配置受拉鋼筋，未超過混凝土的允許抗拉強(qiáng)度的部位只需要按照結(jié)構(gòu)配筋即可;主廠房出現(xiàn)7.34MPa拉應(yīng)力的發(fā)電機(jī)層處，有應(yīng)力集中存在，其它類似部位也存在不同程度集中應(yīng)力，但都相對較小。

對于該結(jié)構(gòu)的位移變形情況，水平向最大位移值為0.7mm，相對于豎向位移要小，所以該工況水平向位移對結(jié)構(gòu)影響不大。其豎向位移最大絕對值4.9mm＜l0/250=18.7mm。符合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于屋蓋設(shè)計(jì)的允許撓度值的要求。

[1]李大軍，晉向平.剪力墻的研究現(xiàn)狀[J].大同職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001.6.

[2]王世夏.水工設(shè)計(jì)的理論和方法[M].北京:中國電力出版社，2000，P288 ～P306.

[3]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[4]王國強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999，P49 ～P68.

[5]DL/T 5057-2009，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中華人民共和國國家能源局，2009.