白鹤滩水电站大跨度地下厂房吊顶拱梁结构计算分析*

赵修龙 方 丹 李良权

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概述

白鹤滩水电站为金沙江下游四大梯级电站的第二级，位于四川省宁南县和云南省巧家县境内交界的河段[7,8]，白鹤滩水电站发电厂房位于左、右岸地下山体中，各布置8台单机容量1 000 MW的水轮发电机组，单机容量位居世界第一，电站总装机容量为16 000 MW，是目前世界上在建规模最大的水电站[9,10]。白鹤滩水电站主厂房吊顶结构沿厂房纵轴线方向总长为406 m，跨度为34 m，是目前世界上已建及在建跨度最大地下厂房吊顶结构，其中拱梁内半径为27.225 m，顶高程为619.39 m，上下游边墙拱梁底高程为613.20 m。其吊顶结构采用外包钢现浇混凝土叠合板梁结构，该结构由吊顶支撑系统[11,12]、外包钢—混凝土拱梁、闭口压型钢板和混凝土肋板组成，吊顶结构如图1所示。吊顶沿厂房纵轴线方向共布置118榀外包钢—混凝土拱梁，拱梁中心间距为3.75 m。拱梁支撑在上下游两侧吊顶支撑柱上，并与吊顶锚杆连接，拱梁之间铺设闭口压型钢板作为模板，其上浇筑混凝土肋板作为吊顶底板[13]。

2 吊顶拱梁结构组成

吊顶拱梁采用外包钢—混凝土结构，拱梁断面为矩形，设计尺寸为500 mm×650 mm，弧长为34.95 m，矢高约为5.4 m。拱梁由4榀通长等边角钢、限位箍筋、斜拉腹杆、内部对角加强角钢等组成的空腹式钢结构骨架，外包轧制薄钢板，内部填充混凝土，形成拱梁完整结构(见图2)，梁端与上下游支撑柱顶预埋钢构件连接形成双铰拱结构，梁上部与吊顶锚杆通过吊顶拉杆连接。钢结构骨架中的4榀通长等边角钢型号选取∠125×12，限位箍筋为三级钢筋C12，间距为150 mm，斜拉腹杆采用三级钢筋C20，内部对角加强角钢型号选取∠75×8，间距为1.5 m。外包轧制薄钢板由包围拱梁两侧及底部的三块薄钢板焊接而成，沿通长等边角钢长度方向通长布置，钢板厚度为4 mm。拱梁内部填充混凝土强度等级为C30，混凝土内无需配筋。

3 吊顶拱梁结构计算分析

3.1 材料参数

混凝土强度等级为C30，弹性模量Ec=3.0×104MPa，抗压强度fc=14.3 MPa，抗拉强度ft=1.43 MPa。

钢筋选用HRB400，强度设计值fy=360 N/mm2。

钢材为Q235钢，弹性模量E=2.0×105N/mm2，密度ρ=78.5 kN/m3，抗拉、抗压、抗弯强度f=215 N/mm2，抗剪强度fv=125 N/mm2。

角钢型号为4根∠125×12，单根角钢截面面积为28.91 cm2，总截面面积为115.64 cm2，单根角钢的截面惯性矩423.16 cm4，组合结构的截面惯性矩I=96 745 cm4,骨架梁的抗拉刚度EA=2.313×106kN，骨架梁的抗弯刚度EI=1.935×105kNm2。

吊顶锚杆直径为C32，截面面积为804.2 mm2，抗拉刚度为EA=1.608×105kN，抗弯刚度EI=10.3 kNm2。

3.2 工况说明

吊顶拱梁结构计算分为以下三种工况进行：

工况一：施工期考虑吊顶锚杆作用工况，该工况由钢拱梁和吊顶锚杆联合受力，共同承担结构自重及混凝土浇筑施工阶段所有荷载；

工况二：施工期不考虑吊顶锚杆作用工况，该工况由钢拱梁独自承担结构自重及混凝土浇筑施工阶段所有荷载，将吊顶锚杆作为钢拱梁承载力的裕度储备；

工况三：运行期不考虑吊顶锚杆作用工况，该工况由拱梁中的钢结构和混凝土共同承担结构自重及吊顶上风管等设备及运行期活荷载等所有荷载，此时不考虑吊顶锚杆的作用。

各工况荷载组合及设计值见表1。

表1 吊顶拱梁结构计算荷载组合及设计值 kN/m

3.3 计算模型

拱梁两端均支撑在吊顶支撑柱顶端，拱梁结构计算时将吊顶支撑柱考虑为铰支座约束，工况一将吊顶锚杆简化为铰接杆件，工况二、三不考虑吊顶锚杆作用，将吊顶拱梁离散成若干节，每节均按直线梁计算，相邻梁间刚接，计算模型见图3,图4。

3.4 计算结果

将相关参数及荷载值代入模型进行计算，工况一计算结果见图5～图7，工况二计算结果见图8～图10，工况三计算结果见图11～图13，各工况下拱梁关键部位计算结果见表2。

3.5 结果分析

由图5～图7及表2可知施工期考虑吊顶锚杆作用工况下梁整体向下变形，梁轴力均为压力，吊顶锚杆均为拉力。拱梁钢结构最大轴力为256.72 kN，最大弯矩为41.28 kNm，最大位移为3.12 mm，经计算，拱梁钢结构承受压应力为41.29 N/mm2，小于钢材抗压强度215 N/mm2，满足要求。吊顶拉杆的轴力最大值为79.2 kN，经计算，吊顶拉杆拉应力为108 N/mm2，小于钢筋抗拉强度360 N/mm2。

表2 各工况下拱梁关键部位计算结果

工况部位轴力/kN弯矩/kNm位移/mm工况一左端点-256.7200左拱腰-232.7441.28-3.12拱顶-196.04-28.57-2.55工况二左端点-797.9800左拱腰-744.52-66.67-1.57拱顶-660.5677.63-19.23工况三左端点-1 404.4900左拱腰-1 310.84-125.72-2.12拱顶-1 163.90116.72-11.51

由图8～图10及表2可知施工期不考虑吊顶锚杆作用工况下梁整体向下变形，梁轴力均为压力。拱梁钢结构最大轴力为797.98 kN，最大弯矩为77.63 kNm，最大位移为19.23 mm，经计算，拱梁钢结构承受压应力为113.3 N/mm2，小于钢材抗压强度215 N/mm2，满足要求。

由图11～图13及表2可知运行期不考虑吊顶锚杆作用工况下梁整体向下变形，梁轴力均为压力。拱梁钢—混凝土结构最大轴力为1 404.49 kN，最大弯矩125.72 kNm，最大位移11.51 mm，经计算，拱梁钢—混凝土结构能承受的最大压力为1 867.75 kN，故满足要求。拱梁钢—混凝土结构挠度限值为31.45 mm，故拱梁位移在允许范围内，满足要求。

4 结语

本文对白鹤滩水电站大跨度地下厂房吊顶拱梁结构进行计算分析，结果表明：该吊顶拱梁结构在施工期考虑吊顶锚杆作用工况下拱梁钢结构承载力满足要求，吊顶拉杆承载力满足要求，在施工期不考虑吊顶锚杆作用工况下拱梁钢结构受力明显增大，但承载力仍满足要求，在运行期不考虑吊顶锚杆作用工况下拱梁钢—混凝土结构承载力满足要求，挠度满足要求。该结构除了具有钢结构本身所具有的制作简单、施工方便等优点外，经过计算分析可知该结构还具有承载能力强的优点，无论是施工期还是运行期均能满足承载力要求，并且有较大的安全裕度，可靠性高。因而可供同类型地下厂房吊顶拱梁结构参考。