中小型水电站厂房混凝土吊车梁结构设计概述

 摘要:水电站厂房的吊车用于吊装水轮机与发电机。吊车梁系直接承受吊车荷载的承重结构，是厂房上部的重要结构之一，对于中、小型水电站厂房的吊车梁一般为钢筋混凝土结构，希望通过本文的论述和结构设计的实例，总结中、小型水电站厂房混凝土吊车梁结构设计的一般方法和规律，更好的服务于厂房的结构设计。 

　　关键词:吊车；吊车梁；T形；垂直轮压；横向水平力；纵向水平力；扭矩；挠度。　　 

　　一、吊车的特点 　 

　　水电站厂房的吊车主要用于吊装水轮机与发电机。在使用上有下述特点：1.吊车的起吊容量大；2．工作间歇大，利用率较低；3．操作速度缓慢；4．吊车除在机组安装及检修时满载外，很少在最大荷载下工作。因此，水电站厂房吊车属于轻级工作制。承受轻级工作制吊车的吊车梁，可不验算重复荷载作用下的疲劳强度。 　 

　　二、吊车梁截面型式及其优缺点 　 

　　钢筋混凝土吊车梁因造价低，施工简便，在中、小型水电站在设计中被广泛采用。近些年一些中型的电站也多采用钢结构的（这里不做论述），但从经济的角度来说还是钢筋混凝土结构较为经济。 

　　钢筋混凝土吊车梁在施工上可分现浇、预制和叠合梁等形式，近年来以现浇和预制两种型式为多。现浇的吊车梁可做成单跨简支或多跨连续结构。一般讲，连续梁在材料利用上更合理些，单跨简支的吊车梁多采用预制吊车，其优点是施工方便，加快施工进度，但多耗钢筋。 

　　吊车梁截面常用的有矩形、T形和I形等型式，其各有优缺点，（1）矩形截面吊车梁：立模简单，施工方便。缺点是材料强度利用不充分，横向刚度较小，轨道固定不甚方便且缺少检查走道。起重量不大的吊车梁可采用矩形截面。（2）T形截面吊车梁：与矩形截面相比，纵向、横向刚度均较大，抗扭性能较好，便于固定钢轨和有较宽的检查走道，起重量较大或中等的吊车梁宜采用。（3）I字形截面吊车梁：其优点基本同T形。由于下翼缘较宽，起重量较大的预应力混凝土吊车梁宜采用这种型式。钢筋砼吊车梁多为T形截面型式。 　　 

　　三、吊车梁截面型式及其尺寸的选择 　　 

　　由于水电站吊车梁承受荷载较大，因此截面尺寸较一般梁为大。以T形梁为例：梁高度一般为跨度的1/5～1/10（中型的取值大些）。梁肋宽为高的1/3～1/7（中型的取值小些），一般取为200～400mm。翼板厚度常取为梁高的1/6～1/10，但不小于100mm。翼板宽度除考虑受力需要外，还应有足够尺寸布置钢轨及埋置钢轨的附件，一般不小于350mm。在梁端部，肋宽宜适当加大，以利主筋的锚固。矩形截面一般的高宽比取2～2.5。对于I形下翼缘宽度主要决定于预应力钢筋的根数和排列，一般小于或等于上翼缘宽度；翼缘的高度一般取1/5～1/8梁高。 

　　根据厂房设计规范，预制钢筋混凝土吊车梁的强度等级（28d龄期）不低于C30，现浇的强度等级不应低于C25。钢筋宜采用Ⅱ级及Ⅱ级以上。 　 

　　四、计算方法及工程实例 　 

　　（一）计算的方法 

　　吊车梁的截面尺寸初定后，按吊车梁实际布置情况选择单跨或多跨梁计算其荷载、内力及配筋并复核梁截面尺寸。吊车梁的荷载主要有：自重、垂直轮压和横向水平力。自重按实际截面尺寸及轨道附件重计算，垂直轮压及横向水平力按《水工结构荷载规范》中的具体公式计算。内力计算需计算出梁垂直方向荷载的弯矩、剪力包络图和水平方向的最大扭矩。配筋计算按《水工混凝土结构设计手册》中的计算方法复核正截面、斜截面强度，计算出截面配筋，并根据最大扭矩复核梁的侧向稳定增加配抗扭钢筋。这些计算做完后还应验算梁的挠度和裂缝是否满足《水工混凝土结构设计规范》的允许值。 

　　（二）工程结构设计举例 

　　1、工程概况 

　　某水电站为引水式电站，电站厂房为地面式厂房，厂房及引水建筑物的级别为IV级，建筑物抗震设防裂度为8°。主厂房长度31.0m，宽度12.24m。电站装机2台，装机容量8MW。主厂房采用电动双梁桥式起重机，最大起吊重量为30t。单跨吊车梁最大跨度为5.7m。 

　　2、结构设计 

　　（1）设计荷载 

　　1)自重q 

　　根据吊车梁截面尺寸拟定的一般规律，结合水机专业钢轨及埋置钢轨附件布置要求，初定T形截面吊车梁，其截面尺寸为：高800mm，梁肋宽端头为300mm，翼板厚120mm，翼板宽500mm。吊车梁用C30砼。 

　　梁的自重按实际截面尺寸计算；钢轨及附件的自重根据厂家资料求得108kg/m。计算得q=8kN/m(设计值)。 

　　2)垂直轮压P 

　　根据《水工结构荷载规范》计算公式，计算得每个轮子最大轮压为：P=296kN(设计值) 

　　计算公式：P=α×1/m(1/2G1+G2(Lk-L1)/Lk+ G3(Lk-L1)/Lk) 

　　式中G1、G2、G3―吊车、小车及起吊物最大重量（kN）； 

　　Lk―吊车跨度（m）； 

　　L1―主吊钩至吊车梁轨道的最小极限距离（m）； 

　　α―动力系数； 

　　m―小车轮数。 

　　3)横向水平力T 

　　根据《水工结构荷载规范》计算公式，计算得每个轮子的横向水平力为：T=9.8kN(设计值) 

　　计算公式：T=0.04/m(G2 + G3) 

　　根据上式计算的横向水平力全部由一个吊车梁承受。横向水平力不乘动力系数。 

　　3、内力计算 

　　（1)承受垂直轮压的内力计算 

　　由于吊车轮子的荷载为移动荷载，因此应先确定轮子的最不利位置，按简支梁计算最大弯矩及最大剪力，并绘出弯矩、剪力包络图。最大弯矩及最大剪力设计值为453.8kN.m及349.5kN。 

　　（2)承受横向水平力的内力计算 

　　在横向水平力作用下，吊车梁在水平方向受弯，其内力计算与垂直方向一样，按简支计算其横向的弯矩和剪力，此部分内力应由吊车梁的翼板承受。最大弯矩及最大剪力设计值为15.0kN.m及11.6kN。 

　　（3)扭矩计算 

　　横向水平力作用于轨顶，对截面形心有扭矩作用，同时垂直轮压也考虑20mm的偏心。则作用在吊车梁截面上扭矩荷载为： 

　　mT=0.9(P×e1+T×e2) 

　　e1―力P的偏心距离，取为0.02m（m）； 

　　e2―力T的偏心距离，为轨道顶至T形截面形心的距离（m）。 

　　本电站吊车梁两端与框架柱连接采用了固定措施，计算扭矩时按两端固定的单跨梁考虑，吊车梁的最大扭矩发生在近支座截面，按单跨梁扭矩包络图求出最大扭矩为MT=9.9kN.m，计算出的扭矩应由T形梁的翼板和梁肋共同承担，为简化计算，抗扭作用仅由肋部的矩形部分承担。 

　　4、配筋、挠度及裂缝开展计算 

　　（1)配筋计算 

　　在垂直荷载作用下，根据弯矩包络图按T形截面进行正截面强度计算，求出跨中和支座截面的纵向受力钢筋数量，根据剪力包络图进行斜截面强度计算，求出箍筋间距和数量，确定纵向受力钢筋的弯起点及弯起数量。 

　　翼板两侧的纵向受力钢筋及箍筋应按横向水平力产生出来的弯矩和剪力计算，本电站横向水平力很小，其钢筋按构造配置即可。 

　　当考虑扭矩及垂直荷载的剪力作用时，按剪扭构件复核梁截面，经计算其截面符合下式： 

　　1／γd0.7fc≤（V／bh0+MT／Wt）≤1／γd0.25fc 

　　因此，受扭钢筋按计算配置。经计算，配附加抗扭箍筋φ8@200沿梁轴垂直均匀布置，并在梁的两侧各布置2φ12抗扭纵向钢筋。 

　　（2)挠度计算 

　　单跨简支梁在均布荷载及双轮压作用下跨中最大挠度为0.7mm，允许挠度为L/600=9.5mm，满足要求。 

　　（3)裂缝计算 

　　按有关计算公式算得： 

　　δfmax=0.23mm<[δfmax]=0.3mm，满足要求。 　　 

　　五、结语 　 

　　吊车梁结构计算主要有荷载计算、内力计算和配筋计算。因为吊车梁的荷载多为移动的一组荷载，正确的画出弯矩及剪力包络图是关键，对于小车轮子数较多时情况，应找到最不利位置、求出最大弯矩和剪力值。配筋计算中除正截面计算外，还应进行斜截面及抗扭计算的复核。工程实例的电站钢筋砼吊车梁结构设39e1计在中、小型水电站厂房中较有代表性，并希望通过本文推广到一般性，更好的运用到设计工作中去。 　 

　　参考文献： 

　　《水电站厂房设计规范》SL266-2001 

　　《水工混凝土结构设计规范》SL/T 191-96 

　　《水工建筑物荷载设计规范》DL 5077-1997 

　　《小型水电站》水利电力出版社 

　　《水工混凝土结构设计手册》中国水利水电出版社