大跨度地下廠房鋼—混吊頂結(jié)構(gòu)受力性能研究

陳 鵬，方 丹，趙修龍，補(bǔ)約依呷，李良權(quán)

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

隨著我國水電事業(yè)建設(shè)的發(fā)展，鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)以其具有承載能力強(qiáng)、經(jīng)久耐用、經(jīng)濟(jì)美觀以及施工快捷方便等優(yōu)點(diǎn)在水電站地下廠房建設(shè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1 - 6]對(duì)已建水電站地下廠房鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工做了介紹；文獻(xiàn)[7]對(duì)白鶴灘水電站大跨度地下廠房吊頂拱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)法計(jì)算分析。

鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)是水電站大跨度地下廠房的極其重要的結(jié)構(gòu)，需要確保其具有良好的受力性能，本文結(jié)合白鶴灘水電站地下廠房大跨度鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)，針對(duì)現(xiàn)澆板厚度超欠、溫度作用、自振特性等方面做分析研究，以期對(duì)類似工程給予一定借鑒。

1 鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)組成

白鶴灘水電站地下廠房鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)沿廠房縱軸線方向長406.00 m，其中安裝場段、機(jī)組段分別長79.50，326.50 m，跨度為34.00 m，是目前世界上已建及在建跨度最大的地下廠房鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)。其拱梁內(nèi)半徑為27.23 m，頂高程為619.39 m，上下游邊墻拱梁底高程為613.20 m。鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)采用外包鋼現(xiàn)澆混凝土疊合板梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由吊頂支撐系統(tǒng)、外包鋼 — 混凝土拱梁、閉口壓型鋼板和現(xiàn)澆混凝土板組成（見圖1）。拱梁中心間距為3.75 m，拱梁依靠上下游兩側(cè)吊頂支撐柱以及吊頂錨桿支撐，拱梁之間鋪設(shè)閉口壓型鋼板作為模板，其上澆筑混凝土板作為吊頂?shù)装錥7]。

圖1 鋼-混吊頂結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

根據(jù)白鶴灘水電站地下廠房大跨度鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸、材料、邊界條件等，采用ANSYS有限元計(jì)算分析軟件建立結(jié)構(gòu)空間有限元分析模型。拱梁混凝土、現(xiàn)澆板混凝土采用實(shí)體單元SOLID185模擬，拱梁外包鋼板、閉口壓型鋼板采用殼單元SHELL63模擬；模型共計(jì)27 072個(gè)單元，26 134個(gè)節(jié)點(diǎn)。拱梁兩端支撐于吊頂支撐柱的頂端，現(xiàn)澆板兩端支撐于吊頂支撐柱間的框架梁上，計(jì)算中拱梁及現(xiàn)澆板兩端按固端約束考慮。材料參數(shù)見表1。鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。

表1 材料參數(shù)表

圖2 鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)有限元模型圖

3 現(xiàn)澆板厚度超欠敏感性分析

鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)澆板是整個(gè)結(jié)構(gòu)承載的重要組成部分，由于白鶴灘地下廠房跨度大，吊頂結(jié)構(gòu)表面弧線過渡在兩端相對(duì)比較明顯，在施工過程中容易導(dǎo)致澆筑厚度有偏差，從而引起現(xiàn)澆板恒載的變化，現(xiàn)澆板厚度超方過大，則會(huì)導(dǎo)致恒載比例增大，對(duì)吊頂結(jié)構(gòu)的受力會(huì)有較大的影響。為研究現(xiàn)澆板厚度超欠的影響，本文選取現(xiàn)澆板厚度超方量為- 20%，- 10%，0%（板厚12 cm），+ 10%，+ 20%，+ 30%共6種情況進(jìn)行對(duì)比分析。

現(xiàn)澆板厚度對(duì)拱梁豎向位移的影響見圖3，現(xiàn)澆板厚度對(duì)拱梁底部混凝土拉應(yīng)力的影響見圖4。從圖3 ～ 4可以看出，現(xiàn)澆板厚度增加會(huì)導(dǎo)致拱梁豎向位移增大，當(dāng)板厚每增加10%時(shí)，拱梁最大豎向位移會(huì)增大0.08 mm左右；另外，現(xiàn)澆板厚度增加會(huì)導(dǎo)致拱梁兩端底部拉應(yīng)力增大，當(dāng)板厚每增加10%時(shí)，拱梁兩端底部拉應(yīng)力會(huì)增大0.002 MPa左右，但現(xiàn)澆板厚度增加會(huì)導(dǎo)致拱梁跨中底部拉應(yīng)力減小，當(dāng)板厚每增加10%時(shí)，拱梁跨中底部拉應(yīng)力會(huì)減小0.001 MPa左右。

由計(jì)算結(jié)果可知，現(xiàn)澆板厚度超欠引起的結(jié)構(gòu)位移和拉應(yīng)力變化量絕對(duì)值不大，但從結(jié)構(gòu)安全可靠和耐久性方面考慮，施工過程中應(yīng)當(dāng)注重現(xiàn)澆板厚度的控制，避免出現(xiàn)較大的超欠方，防止較大的撓度和應(yīng)力的出現(xiàn)。

圖3 現(xiàn)澆板厚度對(duì)拱梁豎向位移的影響圖

圖4 現(xiàn)澆板厚度對(duì)拱梁底部混凝土拉應(yīng)力的影響圖

4 溫度作用敏感性分析

本文依托的白鶴灘水電站地下廠房鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)具有拱梁跨度大、現(xiàn)澆板近似薄壁結(jié)構(gòu)，溫度作用對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有一定影響，為此本文選取整體溫度變化0℃，± 10℃，± 15℃，± 20℃共7種情況進(jìn)行對(duì)比分析，以期掌握溫度作用對(duì)鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)的影響程度。溫度作用計(jì)算中需要考慮混凝土徐變引起應(yīng)力松弛的實(shí)際情況，根據(jù)DL/T5057 — 2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中條文說明14.3.3，取應(yīng)力松弛系數(shù)0.3對(duì)混凝土彈性模量予以折減。

溫度作用對(duì)拱梁豎向位移的影響見圖5，溫度作用對(duì)拱梁底部混凝土拉應(yīng)力的影響見圖6。從圖5 ～ 6可以看出，整體溫度升高、降低對(duì)拱梁位移的作用效應(yīng)正好相反，整體溫度降低會(huì)導(dǎo)致拱梁豎向向下產(chǎn)生變形，整體溫度升高則會(huì)導(dǎo)致拱梁豎向向上產(chǎn)生變形。整體溫度每升高或降低5℃，拱梁最大豎向位移會(huì)增大3.0 mm左右。整體溫度降低對(duì)拱梁跨中范圍的底部拉應(yīng)力影響明顯，整體溫度每降低5℃，拱梁跨中底部拉應(yīng)力會(huì)增大0.200 MPa左右；整體溫度升高對(duì)拱梁兩端的底部拉應(yīng)力影響明顯，整體溫度每升高5℃，拱梁兩端底部拉應(yīng)力會(huì)增大0.300 MPa左右。

圖5 溫度作用對(duì)拱梁豎向位移的影響圖

圖6 溫度作用對(duì)拱梁底部混凝土拉應(yīng)力的影響圖

計(jì)算結(jié)果可知，溫度作用引起的結(jié)構(gòu)位移和拉應(yīng)力變化量較大，說明溫度作用對(duì)大跨度鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)的受力有較大影響；從控制溫度作用引起的跨度鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)受力變化角度而言，應(yīng)加強(qiáng)施工期混凝土養(yǎng)護(hù)，并注重運(yùn)行期地下廠房鋼 — 混吊頂層的通風(fēng)設(shè)計(jì)，盡量避免出現(xiàn)溫度的大梯度變化。

5 自振特性研究

本節(jié)對(duì)白鶴灘水電站地下廠房鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行分析研究，對(duì)以下3種方案的結(jié)構(gòu)自振頻率進(jìn)行計(jì)算：方案1 — 現(xiàn)澆板兩端按固結(jié)約束；方案2 — 現(xiàn)澆板兩端按僅有豎向簡支約束；方案3 — 現(xiàn)澆板兩端按自由（無約束）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，3種方案的吊頂結(jié)構(gòu)自振頻率相近，無明顯差別，說明現(xiàn)澆板兩端約束型式對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性基本沒有影響。鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)前2階振型見圖7。3種方案結(jié)構(gòu)自振頻率見表2。3種方案的結(jié)構(gòu)自振振型一致，第1階振型為吊頂整體結(jié)構(gòu)沿廠房上下游方向的波浪形振動(dòng)；第2階之后的振型均為拱梁和現(xiàn)澆板沿豎直向的振動(dòng)。

表2 3種方案結(jié)構(gòu)自振頻率表 Hz

圖7 鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)前2階振型圖

6 結(jié) 論

（1）現(xiàn)澆板厚度增加會(huì)導(dǎo)致鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)的拱梁豎向位移增大，現(xiàn)澆板厚度增加會(huì)導(dǎo)致拱梁兩端底部拉應(yīng)力增大，但會(huì)導(dǎo)致拱梁跨中底部拉應(yīng)力減小?，F(xiàn)澆板厚度超欠引起的結(jié)構(gòu)位移和拉應(yīng)力變化量絕對(duì)值不大，但從結(jié)構(gòu)安全可靠和耐久性方面考慮，施工過程中應(yīng)當(dāng)注重現(xiàn)澆板厚度的控制，避免出現(xiàn)較大的超欠方，防止較大的撓度和應(yīng)力的出現(xiàn)。

（2）溫度作用對(duì)大跨度鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)的受力有較大影響；從控制溫度作用引起的跨度鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)受力變化角度而言，應(yīng)加強(qiáng)施工期混凝土養(yǎng)護(hù)，并注重運(yùn)行期地下廠房鋼 — 混吊頂層的通風(fēng)設(shè)計(jì)，盡量避免出現(xiàn)溫度的大梯度變化。

（3）現(xiàn)澆板兩端約束型式對(duì)鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)自振特性基本沒有影響。白鶴灘地下廠房大跨度鋼 — 混吊頂結(jié)構(gòu)第1階振型為吊頂整體結(jié)構(gòu)沿廠房上下游方向的波浪形振動(dòng)；第2階之后的振型均為拱梁和現(xiàn)澆板沿豎直向的振動(dòng)。