大跨度地下厂房钢-混吊顶结构受力性能研究

有限元分析模型，对现浇板厚度超欠敏感性、温度作用敏感性及结构自振特性等方面做了分析研究。结果表明， 现浇板厚度增加会导致钢一混吊顶结构的拱梁竖向位移增大和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；温度作用对大跨度钢一混吊顶结构的受力有较大影响，尽量避免出现温度的大梯度变化；现浇

板两端约束型式对钢一混吊顶结构自振特性基本没有影响。关键词：地下厂房；钢一混结构；吊顶结构；温度作用；自振特性中图分类号：TU931； TV731 文献标识码：A 文章编号：1008 - 701X(2020)01 - 0053 - 03DOI： 10. 13641/j. cnki. 33 - 1162/tv. 2020.01. 015Study on the Mechanical Behavior of Large Span Steel - concrete Ceiling of Underground Power House

CHEN Peng, FANG Dan, ZHAO Xiu - long, BU Yue-yi-ga, LI Liang - quan(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China)Abstract: Based on the large span steel - concrete ceiling of Baihetan underground power house, a finite element

model is established by using ANSYS analysis software, and the sensitivity of the thickness of casting slab, the

sensitivity of the temperature effect and the structure's natural vibration characteristics are studied. The results show that the increase of casting slab's thickness will lead to the increase of the vertical displacement and the tensile stress at the bottom of both ends of the arch beam, but it will lead to the decrease of the tensile stress at the bottom of the middle span

of the arch beam； the temperature effect has a great influence on the force of the large span steel 一 concrete ceiling； the restraint types at both ends of the casting slab have no effect on the natural vibration characteristics of the large span steel -

concrete ceiling.Key words： underground powerhouse； steel - concrete structure； suspended ceiling； temperature effect； natural

vibration characteristics随着我国水电事业建设的发展，钢一混吊顶结构以其 钢一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

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己经得到了较为广泛的 应用。文献［1 -6］对己建水电站地下厂房钢一混吊顶结 构的设计和施工做了介绍：文献［7］对白鹤滩水电站大跨

滩水电站地下厂房大跨度钢一混吊顶结构，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。度地下厂房吊顶拱梁结构进行了结构力学法计算分析。1钢一混吊顶结构组成白鹤滩水电站地下厂房钢一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,

收稿日期：2019-08-11基金项目：国家自然科学基金资助项目（51309243）.作者简介：陈鹏（1988-）,男，工程师，硕士，主要从事 水电站厂房及地下洞室设计工作.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一混吊顶结构。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

E - mail： shuyul227@foxmail.com613.20 m。钢一混吊顶结构釆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、外包钢一混凝土拱梁、• 53 •陈 鹏，等：大跨度地下厂房钢一混吊顶结构受力性能研究闭口压型钢板和现浇混凝土板组成（见图1） <.拱梁中心间 杆支撑，拱梁之间铺设闭口压型钢板作为模板，其上浇筑距为3.75 m,拱梁依靠上下游两侧吊顶支撑柱以及吊顶锚 混凝土板作为吊顶底板2结构计算模型根据白鹤滩水电站地下厂房大跨度钢一混吊顶结构

板、闭口压型钢板釆用壳单元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，

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、

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.钢一混吊顶结构有限元模型见图2。现浇板混凝土釆用实体单元SOLID 185模拟，拱梁外包钢

表1材料静弹性模量/GPa动弹性模量/GPa材料参数表密度 / (kg-m'3)泊松比线热膨胀系数/£C30混凝土钢材30.039.0267.82 5007 8500.1671.0x10\"206.00.3001.2x10 5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

图2钢一混吊顶结构有限元模型图面考虑，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。3现浇板厚度超欠敏感性分析钢一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

• 54 •陈 鹏，等：大跨度地下厂房钢一混吊顶结构受力性能研究1.200-■-温降-201C-温降-15C

-A-基旌温度0C1.000-e-iSJI-noCSJH20Cjajh-i5C0.8000.6000.4000.200A0

4

0.0008 12 16 20 24 28 32 36距梁端距离/m图4现浇板厚度对拱梁底部混凝土拉应力的影响图图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一混吊顶结构的受力

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一混吊顶结构 具有拱梁跨度大、现浇板近似薄壁结构，温度作用对整个

有较大影响；从控制温度作用引起的跨度钢一混吊顶结构 受力变化角度而言，应加强施工期混凝土养护，并注重运 行期地下厂房钢一混吊顶层的通风设计，尽量避免出现温

结构的受力状态有一定影响，为此本文选取整体温度变化 OXJ, ± 10-C, ± 15-C, ±209共7种情况进行对比分析，

度的大梯度变化。5自振特性研究以期掌握温度作用对钢一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》［81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。本节对白鹤滩水电站地下厂房钢一混吊顶结构的自振

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 一现浇板两端按固结约束；方案2 —现浇板

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，

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）。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

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

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-C,拱梁最大竖向位移会增大3.0 mm左右。整体温度降

没有影响。钢一混吊顶结构前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；

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-C,拱梁跨中底部拉应力会增大0.200 MPa左右；整体 第2阶之后的振型均为拱梁和现浇板沿竖直向的振动。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59,拱梁两端底部拉应力会增大0.300 MPa左右。表2 3种方案结构自振频率表

阶次 方案1方案2方案3Hz阶次 方案1方案2方案31 2 3 4

&439 &293 &28911 13.301 13.298 13.29813.301 13.298 13.29812 13.310 13.302 13.30213.310 13.302 13.30213.310 13.302 13.30213.310 13.302 13.30213.310 13.302 13.30213.310 13.302 1330213.310 13.302 13.30213.310 13.302 1330213.310 13.302 1330213.301 13.298 13.29813.301 13.298 13.29813.301 13.298 13.29813.301 13.298 13.29813.301 13.298 13.29813 14

5 15 16 17 18 19 20

6 7 8

13.301 13.298 13.29813.301 13.298 13.29813.301 13.298 13.2989

距梁瑞距离/m图5温度作用对拱梁竖向位移的影响图10

・55・陈鹏，等：大跨度地下厂房钢一混吊顶结构受力性能研究性基本没有影响。白鹤滩地下厂房大跨度钢一混吊顶结构

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。参考文献：[1] 补约依呷，万祥兵.锦屏二级水电站大跨度地下厂房吊顶结构

技术[J].红水河，2016, 35(3)： 31-33.[2] 范湘蓉，赵群章.溪洛渡水电站主厂房吊顶设计[J].四川水力

6结论(1) 现浇板厚度增加会导致钢一混吊顶结构的拱梁 竖向位移增大，现浇板厚度增加会导致拱梁两端底部拉应

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电，1998(7)： 54 - 56.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

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发电，1998(3)： 76 - 77, 92.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

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其施工方法：CN104712091A[P], 2015 -06- 17.(2) 温度作用对大跨度钢一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一混吊顶结构受力 变化角度而言，应加强施工期混凝土养护，并注重运行期

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姚小槐•)地下厂房钢一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一混吊顶结构自振特

4 I I—H---------------- —+•• 1 —F—♦ ♦ ♦ ♦ .•+-+“ -4-----| ♦ -4 |----| ♦ | » ♦-(上接第52页)[2] 夏梁省.楼东.浙江省海岛资源分类及开发模式研究[JJ.浙江

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