大跨度地下厂房钢—混吊顶结构受力性能研究

陈 鹏，方 丹，赵修龙，补约依呷，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）

随着我国水电事业建设的发展，钢 — 混吊顶结构以其具有承载能力强、经久耐用、经济美观以及施工快捷方便等优点在水电站地下厂房建设领域已经得到了较为广泛的应用。文献[1 - 6]对已建水电站地下厂房钢 — 混吊顶结构的设计和施工做了介绍；文献[7]对白鹤滩水电站大跨度地下厂房吊顶拱梁结构进行了结构力学法计算分析。

钢 — 混吊顶结构是水电站大跨度地下厂房的极其重要的结构，需要确保其具有良好的受力性能，本文结合白鹤滩水电站地下厂房大跨度钢 — 混吊顶结构，针对现浇板厚度超欠、温度作用、自振特性等方面做分析研究，以期对类似工程给予一定借鉴。

1 钢 — 混吊顶结构组成

白鹤滩水电站地下厂房钢 — 混吊顶结构沿厂房纵轴线方向长406.00 m，其中安装场段、机组段分别长79.50，326.50 m，跨度为34.00 m，是目前世界上已建及在建跨度最大的地下厂房钢 — 混吊顶结构。其拱梁内半径为27.23 m，顶高程为619.39 m，上下游边墙拱梁底高程为613.20 m。钢 — 混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、外包钢 — 混凝土拱梁、闭口压型钢板和现浇混凝土板组成（见图1）。拱梁中心间距为3.75 m，拱梁依靠上下游两侧吊顶支撑柱以及吊顶锚杆支撑，拱梁之间铺设闭口压型钢板作为模板，其上浇筑混凝土板作为吊顶底板[7]。

图1 钢-混吊顶结构示意图

2 结构计算模型

根据白鹤滩水电站地下厂房大跨度钢 — 混吊顶结构的实际尺寸、材料、边界条件等，采用ANSYS有限元计算分析软件建立结构空间有限元分析模型。拱梁混凝土、现浇板混凝土采用实体单元SOLID185模拟，拱梁外包钢板、闭口压型钢板采用壳单元SHELL63模拟；模型共计27 072个单元，26 134个节点。拱梁两端支撑于吊顶支撑柱的顶端，现浇板两端支撑于吊顶支撑柱间的框架梁上，计算中拱梁及现浇板两端按固端约束考虑。材料参数见表1。钢 — 混吊顶结构有限元模型见图2。

表1 材料参数表

图2 钢 — 混吊顶结构有限元模型图

3 现浇板厚度超欠敏感性分析

钢 — 混吊顶结构中的现浇板是整个结构承载的重要组成部分，由于白鹤滩地下厂房跨度大，吊顶结构表面弧线过渡在两端相对比较明显，在施工过程中容易导致浇筑厚度有偏差，从而引起现浇板恒载的变化，现浇板厚度超方过大，则会导致恒载比例增大，对吊顶结构的受力会有较大的影响。为研究现浇板厚度超欠的影响，本文选取现浇板厚度超方量为- 20%，- 10%，0%（板厚12 cm），+ 10%，+ 20%，+ 30%共6种情况进行对比分析。

现浇板厚度对拱梁竖向位移的影响见图3，现浇板厚度对拱梁底部混凝土拉应力的影响见图4。从图3 ～ 4可以看出，现浇板厚度增加会导致拱梁竖向位移增大，当板厚每增加10%时，拱梁最大竖向位移会增大0.08 mm左右；另外，现浇板厚度增加会导致拱梁两端底部拉应力增大，当板厚每增加10%时，拱梁两端底部拉应力会增大0.002 MPa左右，但现浇板厚度增加会导致拱梁跨中底部拉应力减小，当板厚每增加10%时，拱梁跨中底部拉应力会减小0.001 MPa左右。

由计算结果可知，现浇板厚度超欠引起的结构位移和拉应力变化量绝对值不大，但从结构安全可靠和耐久性方面考虑，施工过程中应当注重现浇板厚度的控制，避免出现较大的超欠方，防止较大的挠度和应力的出现。

图3 现浇板厚度对拱梁竖向位移的影响图

图4 现浇板厚度对拱梁底部混凝土拉应力的影响图

4 温度作用敏感性分析

本文依托的白鹤滩水电站地下厂房钢 — 混吊顶结构具有拱梁跨度大、现浇板近似薄壁结构，温度作用对整个结构的受力状态有一定影响，为此本文选取整体温度变化0℃，± 10℃，± 15℃，± 20℃共7种情况进行对比分析，以期掌握温度作用对钢 — 混吊顶结构的影响程度。温度作用计算中需要考虑混凝土徐变引起应力松弛的实际情况，根据DL/T5057 — 2009《水工混凝土结构设计规范》[8]中条文说明14.3.3，取应力松弛系数0.3对混凝土弹性模量予以折减。

温度作用对拱梁竖向位移的影响见图5，温度作用对拱梁底部混凝土拉应力的影响见图6。从图5 ～ 6可以看出，整体温度升高、降低对拱梁位移的作用效应正好相反，整体温度降低会导致拱梁竖向向下产生变形，整体温度升高则会导致拱梁竖向向上产生变形。整体温度每升高或降低5℃，拱梁最大竖向位移会增大3.0 mm左右。整体温度降低对拱梁跨中范围的底部拉应力影响明显，整体温度每降低5℃，拱梁跨中底部拉应力会增大0.200 MPa左右；整体温度升高对拱梁两端的底部拉应力影响明显，整体温度每升高5℃，拱梁两端底部拉应力会增大0.300 MPa左右。

图5 温度作用对拱梁竖向位移的影响图

图6 温度作用对拱梁底部混凝土拉应力的影响图

计算结果可知，温度作用引起的结构位移和拉应力变化量较大，说明温度作用对大跨度钢 — 混吊顶结构的受力有较大影响；从控制温度作用引起的跨度钢 — 混吊顶结构受力变化角度而言，应加强施工期混凝土养护，并注重运行期地下厂房钢 — 混吊顶层的通风设计，尽量避免出现温度的大梯度变化。

5 自振特性研究

本节对白鹤滩水电站地下厂房钢 — 混吊顶结构的自振特性进行分析研究，对以下3种方案的结构自振频率进行计算：方案1 — 现浇板两端按固结约束；方案2 — 现浇板两端按仅有竖向简支约束；方案3 — 现浇板两端按自由（无约束）。

根据计算结果，3种方案的吊顶结构自振频率相近，无明显差别，说明现浇板两端约束型式对结构自振特性基本没有影响。钢 — 混吊顶结构前2阶振型见图7。3种方案结构自振频率见表2。3种方案的结构自振振型一致，第1阶振型为吊顶整体结构沿厂房上下游方向的波浪形振动；第2阶之后的振型均为拱梁和现浇板沿竖直向的振动。

表2 3种方案结构自振频率表 Hz

图7 钢 — 混吊顶结构前2阶振型图

6 结 论

（1）现浇板厚度增加会导致钢 — 混吊顶结构的拱梁竖向位移增大，现浇板厚度增加会导致拱梁两端底部拉应力增大，但会导致拱梁跨中底部拉应力减小。现浇板厚度超欠引起的结构位移和拉应力变化量绝对值不大，但从结构安全可靠和耐久性方面考虑，施工过程中应当注重现浇板厚度的控制，避免出现较大的超欠方，防止较大的挠度和应力的出现。

（2）温度作用对大跨度钢 — 混吊顶结构的受力有较大影响；从控制温度作用引起的跨度钢 — 混吊顶结构受力变化角度而言，应加强施工期混凝土养护，并注重运行期地下厂房钢 — 混吊顶层的通风设计，尽量避免出现温度的大梯度变化。

（3）现浇板两端约束型式对钢 — 混吊顶结构自振特性基本没有影响。白鹤滩地下厂房大跨度钢 — 混吊顶结构第1阶振型为吊顶整体结构沿厂房上下游方向的波浪形振动；第2阶之后的振型均为拱梁和现浇板沿竖直向的振动。