杨房沟水电站大型地下厂房吊顶结构设计与思考

张立新，何展国

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，311122)

1 工程概况

杨房沟水电站为国内首个采用设计施工总承包(EPC)建设的百万千瓦级大型水电项目，总装机容量1500MW。主副厂房洞在平面布置上采用“一”字型布置，从左至右依次为副厂房、主厂房和安装场，洞室开挖尺寸为230m×30m×75.57m(长×宽×高)，其中安装场段长63.5m，机组段长146.5m，副厂房段长20m。

主厂房吊顶采用钢和混凝土组合楼盖结构[1-2]，拱梁内半径为26.55m，拱梁弯曲角度为65.53°。吊顶结构上部作为通风层，布置有送风管、排风管和排烟管等。主厂房吊顶结构见图1。

图1 主厂房吊顶结构剖面(单位：mm)

主厂房吊顶结构由上、下游两侧吊顶支撑柱、拱梁、吊顶拉杆、压型钢板和钢筋混凝土板组成。上、下游两侧的吊顶支撑柱为混凝土结构，位于已浇筑的岩壁吊车梁上，拱梁两端与支撑柱连接，间距与支撑柱相同，拱梁之间最大间距为3.9m。顶棚钢筋混凝土板沿厂房洞室纵轴线设置横向结构缝。施工期作用在吊顶上的荷载通过拱梁传递给围岩顶拱吊顶锚杆和厂房上、下游两侧边墙处的吊顶支撑柱上。

根据设计与施工研究，经多方案比较，主厂房吊顶拱梁外壳骨架采用空腹式型钢结构。其优点是：安装完成后可与吊顶拉杆共同承受施工期荷载，无需搭设施工支承排架，施工速度快，并减小施工干扰，给工程带来便利。

拱梁设计采用外包钢—混凝土结构，拱梁断面为矩形，设计尺寸为450mm×550mm，弧长为30.68m，矢高约为4.91m。拱梁由4榀等边角钢、焊接箍筋、斜腹杆组成空腹式钢结构骨架，梁端与上、下游吊顶支撑柱的预埋钢构件连接形成双铰拱结构。吊顶钢拱梁结构见图2，主厂房顶拱吊顶实景图见图3。

图2 吊顶钢拱梁剖面(单位：mm)

2 结构设计

吊顶结构分为施工期阶段和运行期阶段进行计算[3-4]。

考虑到施工顺序对荷载取值影响较大，在计算吊顶结构时，首先需与施工单位沟通确定吊顶结构的施工顺序。该水电站地下厂房吊顶结构施工顺序为：顶拱开挖支护时安装吊顶锚杆→浇筑岩壁吊车梁混凝土及吊顶支撑结构柱混凝土→钢拱梁分段制作→钢拱梁各段拼接完成后整体吊装、并通过吊顶拉杆与吊顶锚杆焊接固定→铺设镀锌压型钢板、与钢拱梁焊接固定→铺设吊顶照明电气管路→铺设钢筋→浇筑拱梁及楼板混凝土。

施工期阶段由吊顶拉杆、钢拱梁和镀锌压型钢板共同承担钢结构自重、混凝土自重及施工期活荷载，将钢拱梁考虑为一个整体，各法兰连接部位需进行复核。

运行期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机设备荷载及运行期活荷载等所有荷载。

施工期混凝土浇筑工况及运行期工况拱梁两端均支撑在已施工的吊顶支撑柱顶端，拱梁结构计算时将与吊顶支撑柱相接处考虑为铰接约束，考虑法兰连接，不对吊顶支撑柱进行建模计算。吊顶拱梁结构计算荷载组合及支撑工况见表1。

表1 吊顶拱梁结构计算荷载组合及支撑工况

3 设计思考

钢结构拱梁复核计算除应按轴心受力构件和偏心受压构件分别进行强度及稳定性验算外，施工期还应考虑以下几点：

(1)吊顶拉杆受拉承载力极限验算：初步验算，焊缝、吊顶锚杆锚固段长度及吊顶拉杆下端螺纹连接均满足拉力要求，故吊顶拉杆轴力最大值不应大于吊顶拉杆受拉承载力极限。

(2)拱脚预埋螺栓复核：拱梁与上下游侧的吊顶支撑结构柱通过预埋螺栓和预埋钢板进行连接，因此需对螺栓的抗剪强度进行验算。

(3)拱梁段间螺栓复核：根据施工措施，吊顶拱梁分为三段组装，段间采用M30螺栓连接，故需进行抗剪强度复核。

(4)设置剪刀撑：为防止拱梁安装过程中产生较大变形，保证施工期安全，须沿拱梁轴线方向设置剪刀撑。

(5)镀锌压型钢板复核：施工期镀锌压型钢板直接承受混凝土荷载和施工期活荷载，需进行复核，需计算其截面惯性矩、截面系数。

运行期混凝土梁、板承受荷载，不考虑吊顶拉杆，需对混凝土梁拱脚正截面轴心受压承载力、拱顶正截面偏心受压承载力、拱腰正截面偏心受压承载力进行验算。

除此之外，还需结合设备布置进行混凝土板配筋计算，本工程混凝土板计算需考虑多联基础和最大跨度段。

4 结语

据了解，锦屏二级水电站地下厂房[5](352.40m×28.30m×71.20m)、白鹤滩水电站地下厂房(438.00m×34.00m×88.70m)等大型水电站工程主厂房吊顶均采用外包钢现浇混凝土叠合板梁结构。外包钢混凝土吊顶结构复杂，设计应及时与施工单位沟通，工况、荷载取值需结合现场实际情况多方面考虑确定。为确保施工期安全，需注意拱梁法兰连接计算、镀锌压型钢板复核及剪刀撑设置。目前，杨房沟水电站地下厂房吊顶已完成建设并投入运行，可供同类型地下厂房吊顶结构参考。