第十三章

水電站廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)http://

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cn/水電站廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：主廠房的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)；整體穩(wěn)定分析、地基應(yīng)力校核；構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算。第一節(jié)

主廠房的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)水電站廠房的結(jié)構(gòu)組成http://

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cn/一、水電站廠房的結(jié)構(gòu)組成及作用http://

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cn/(一)上部結(jié)構(gòu)

1、屋頂屋面板：隔熱、遮陽、避風(fēng)雨；預(yù)制鋼筋混凝土大型屋面板+隔熱層+防水層+保護(hù)層屋架或屋面大梁。

2、排架柱承受屋架或屋面大梁、吊車梁、外墻傳來的荷載和排架柱自重，并將它們傳給廠房下部結(jié)構(gòu)的大體積混凝土。3、吊車梁承受吊車荷載（包括起吊部件在廠房內(nèi)部運(yùn)行時(shí)的移動集中垂直荷載），以及吊車在起重部件時(shí)，啟動或制動時(shí)產(chǎn)生的縱、橫向水平荷載，并將它們傳給排架柱。一、水電站廠房的結(jié)構(gòu)組成及作用http://

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cn/4、發(fā)電機(jī)層和安裝間樓板發(fā)電機(jī)層樓板承受著自重、機(jī)電設(shè)備靜荷載和人的活荷

載，傳給梁并部分傳發(fā)電機(jī)機(jī)座和水輪機(jī)層的排架柱。

安裝間樓板承受自重、檢修或安裝時(shí)機(jī)組荷載和活荷載，傳到基礎(chǔ)。5、圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻。承受風(fēng)荷載，并將它傳給排架柱或壁柱。抗風(fēng)柱。承受廠房兩端山墻傳來的風(fēng)荷載，并將它傳給屋面大梁和基礎(chǔ)或廠房下部大體積混凝土塊體。圈梁和連系梁。承受梁上磚墻傳下的荷載和自重，并傳給排架柱或壁柱。一、水電站廠房的結(jié)構(gòu)組成及作用http://

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cn/(二)下部結(jié)構(gòu)

1、發(fā)電機(jī)機(jī)墩承受從發(fā)電機(jī)層樓板傳來的荷載和水輪發(fā)電機(jī)組等設(shè)備重量、水輪機(jī)軸向水壓力和機(jī)墩自重，并將它們傳給座環(huán)和蝸殼外圍混凝土。2、蝸殼和水輪機(jī)座環(huán)（固定導(dǎo)葉）將機(jī)墩傳下來的荷載通過座環(huán)傳到尾水管上，另外水輪機(jī)層的設(shè)備重量和活荷載通過蝸殼頂板也傳到尾水管。

3、尾水管承受水輪機(jī)座環(huán)和蝸殼頂板傳來的荷載，經(jīng)尾水管框架（尾水管頂板、閘墩、邊墩和底板構(gòu)成的）結(jié)構(gòu)再傳到基礎(chǔ)上。二、廠房的受力和傳力系統(tǒng)http://

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cn/(一)廠房主要荷載廠房結(jié)構(gòu)自重，壓力水管、蝸殼及尾水管內(nèi)水重；廠房內(nèi)機(jī)電設(shè)備自重，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動荷載；靜水壓力：尾水壓力，基底揚(yáng)壓力，壓力水管、蝸殼及尾水管內(nèi)的水壓力，永久縫內(nèi)的水壓力，河床式廠房的上游水壓力；廠房四周的土壓力；活荷載：吊車運(yùn)輸荷載，人群荷載及運(yùn)輸工具荷載；(7)風(fēng)荷載；(9)嚴(yán)寒地區(qū)的冰壓力；(6)溫度荷載；(8)雪荷載；(10)地震力。(二)廠房的傳力系統(tǒng)http://

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cn/三、廠房混凝土澆筑的分期和分塊http://

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cn/1.

廠房混凝土澆筑的分期

分期目的：由于機(jī)組到貨一般均遲于土建的施工期，為了適應(yīng)水輪發(fā)電機(jī)組的安裝要求，廠房中的混凝土需要分期澆筑，稱為一期和二期混凝土。

一期混凝土：底板、尾水管、尾水閘墩、尾水平臺、混凝土蝸殼外的混凝土、上下游邊墻、廠房構(gòu)架、吊車梁、部分樓板等，在施工時(shí)先期澆筑，以便利用吊車進(jìn)行機(jī)組安裝。

二期混凝土：為了機(jī)組安裝和埋件需要而預(yù)留的，要等到機(jī)組和有關(guān)設(shè)備到貨后、尾水管圓錐鋼板內(nèi)襯和金屬蝸殼安裝完畢后，再進(jìn)行澆筑。二期混凝土包括金屬蝸殼外的部分混凝土、

尾水管直錐段外包混凝土、機(jī)座、發(fā)電機(jī)風(fēng)罩外壁、部分樓層的樓板。2．混凝土澆筑分層、分塊http://

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cn/水電站廠房水下部分的混凝土屬于大體積塊體混凝土。其特點(diǎn)是現(xiàn)場澆筑量大，結(jié)構(gòu)幾何形狀復(fù)雜，基礎(chǔ)高差大，對裂縫要求嚴(yán)格。由于受混凝土澆筑能力的限制和為了適應(yīng)廠房形狀的變化，因此每期混凝土要分層分塊澆筑?；炷翝仓謱印⒎謮K是為了便于施工和保證工程質(zhì)量。廠房混凝土分期分塊http://

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cn/四、

廠房結(jié)構(gòu)的分縫和止水http://

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cn/1．分縫(1)沉降伸縮縫——為防止廠房地基不均勻沉陷，減小下部結(jié)構(gòu)受基礎(chǔ)約束產(chǎn)生的溫度和干縮應(yīng)力，沿廠房長度方向設(shè)置的伸縮縫和沉降縫(永久縫)。特點(diǎn)：一般都是貫通至地基，只在地基相當(dāng)好時(shí)，伸縮縫才僅設(shè)在水上部分，但也需每隔數(shù)道伸縮縫設(shè)一道貫通地基的沉降伸縮縫。主副廠房、安裝間、尾水平臺間的分縫http://

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cn/(2）施工縫——根據(jù)施工條件設(shè)置的混凝土澆筑縫(臨時(shí)縫)

巖基上大型廠房通常一臺機(jī)組段設(shè)一永久縫，中小型水電站可增至2～3臺機(jī)組設(shè)一條永久縫。

在安裝間與主機(jī)房之間、主副廠房高低跨分界處，由于荷載懸殊，需設(shè)沉降縫。

壩后式廠房的廠壩之間常沿整個(gè)廠房的上游外側(cè)設(shè)一條貫通地基的縱縫。

永久縫的寬度一般為1~2cm，軟基上可寬一些，但不超過6cmhttp://

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cn/2．止水廠房水上部分的永久縫中常填充一定彈性的防滲、防水材料，以防止在施工或運(yùn)行中被泥沙或雜物填死和風(fēng)雨對廠房內(nèi)部的侵襲。廠房水下部的永久縫應(yīng)設(shè)置止水，以防止沿縫隙的滲漏，重要部位設(shè)兩道止水，中間設(shè)瀝青井。止水布置主要取決于廠房類型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地基特性等，應(yīng)采用可靠、耐久而經(jīng)濟(jì)的止水型式。http://

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cn/第二節(jié)

廠房整體穩(wěn)定及地基應(yīng)力http://

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cn/計(jì)算內(nèi)容:沿地基面的抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定、廠基面垂直正應(yīng)力注：河床式廠房本身是擋水建筑物，廠房地基內(nèi)部存在軟弱層面時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行深層抗滑穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算要求：廠房在運(yùn)行、施工和檢修期間，在抗滑、抗傾與抗浮方面必須有足夠的安全系數(shù)，以保證廠房的整體穩(wěn)定廠房地基應(yīng)力必須滿足承載能力的要求，不允許發(fā)生有害的不均勻沉陷。計(jì)算注意事項(xiàng)：http://

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cn/河床式廠房直接承受上游水壓力，在確定地下輪廓線、校核整體穩(wěn)定性和地基應(yīng)力時(shí)，以兩個(gè)永久縫之間或一個(gè)機(jī)組段長度為計(jì)算單元，進(jìn)行穩(wěn)定分析和地基應(yīng)力計(jì)算時(shí)，不能取單寬進(jìn)行計(jì)算。廠房有大量的二期混凝土，并可能有分期安裝問題，故在機(jī)組安裝前后荷載變化較大，確定荷載與荷載組

合時(shí)也有其特點(diǎn)。一、荷載及其組合http://

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cn/(一)

荷載1．基本荷載：廠房結(jié)構(gòu)及永久設(shè)備自重；回填土石重；正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位情況下的靜水壓力；相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位情況下的揚(yáng)壓力；相應(yīng)于正常蓄水位或設(shè)計(jì)洪水位情況下的浪壓力；淤沙壓力；土壓力；冰壓力；其它出現(xiàn)機(jī)會較多的荷載。(一)

荷載http://

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cn/2．特殊荷載：校核洪水位或檢修水位情況下的靜水壓力；相應(yīng)于校核洪水位或檢修水位情況下的揚(yáng)壓力；相應(yīng)于校核洪水位或檢修水位情況下的浪壓力；地震力；其它出現(xiàn)機(jī)會較少的荷載。·注：作用在廠房上的靜水壓力應(yīng)根據(jù)廠房在不同的運(yùn)行工況下的上、下游水位確定。表13-1廠房整體穩(wěn)定分析的荷載組合http://

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cn/(二)

荷載組合http://

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cn/注：表中a適用于河床廠房，b適用于壩后和引水廠房。1．正常運(yùn)行河床廠房：a1組合情況下廠房承受的水頭最大；a2組合情況下?lián)P壓力最大，對穩(wěn)定不利。壩后式廠房和引水式廠房：引起穩(wěn)定問題的水平荷載為下游水壓力，因此正常運(yùn)行情況中取下游設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行組合。2．機(jī)組檢修河床式廠房機(jī)組檢修情況下機(jī)組設(shè)備重不考慮，廠房承受的水頭大，而廠房的重量輕，只有結(jié)構(gòu)自重和水重，對穩(wěn)定不利。(二)

荷載組合http://

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cn/機(jī)組未安裝機(jī)組安裝周期較長，如機(jī)組是分期安裝，廠房的施工安裝或更長，所以要進(jìn)行機(jī)組未安裝時(shí)的穩(wěn)定計(jì)算。二期混凝土和設(shè)備重不計(jì)，廠房重量最輕，而廠房已經(jīng)承受水壓，對抗滑和抗浮不利。廠房基礎(chǔ)設(shè)有排水孔時(shí)，特殊組合中還要考慮排水失效的情況。二、

計(jì)算方法和要求http://

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cn/廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算應(yīng)以中間機(jī)組段、邊機(jī)組段和安裝間段作為一個(gè)獨(dú)立的整體，按荷載組合分別進(jìn)行。邊機(jī)組段和安裝間段，除上下游水壓力作用外，還可能受側(cè)向水壓力的作用，所以必須核算雙向水壓力作用下的整體穩(wěn)定性和地基應(yīng)力。·河床廠房穩(wěn)定分析受力圖http://

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cn/(一)

抗滑穩(wěn)定計(jì)算廠房抗滑穩(wěn)定性可按抗剪斷強(qiáng)度公式或抗剪強(qiáng)度公式計(jì)算1．抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算公式式中K′——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f′，C′——滑動面的抗剪斷摩擦系數(shù)及抗剪斷粘結(jié)力，kPa；A

——基礎(chǔ)面受壓部分的計(jì)算面積，m2；∑W

——全部荷載對滑動面的法向分力（含揚(yáng)壓力），kN;∑P

——全部荷載對滑動面的切向分力（含揚(yáng)壓力），kN。http://

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cn/(一)

抗滑穩(wěn)定計(jì)算2．抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式式中K——按抗剪強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f

——滑動面的抗剪摩擦系數(shù)。巖基廠房整體抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)不分等級按表13-2選用http://

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cn/表13-2

抗滑穩(wěn)定的安全系http://

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cn/數(shù)(二)抗浮穩(wěn)定性計(jì)算廠房抗浮穩(wěn)定性可按下式計(jì)算式中Kf

——抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W

——機(jī)組段的全部重量，kN；U

——作用于機(jī)組段的揚(yáng)壓力總和，kN。根據(jù)《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kf在任何計(jì)算情況下不得小于1.1。http://

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cn/(三)

地基應(yīng)力計(jì)算1．計(jì)算方法廠房地基面上的法向應(yīng)力，可按下式計(jì)算(13-4)式中

——廠基面垂直正應(yīng)力，kPa；∑W

——作用于機(jī)組段上全部荷載在廠基面上的法向分力總和，kN；∑Mx，∑My——作用于機(jī)組段上全部荷載對計(jì)算截面形心軸x、y的力矩總和，kN.m；x、y

——計(jì)算截面上任意點(diǎn)至形心軸的距離，m；Jx，Jy——計(jì)算截面對形心軸x、y軸的慣性矩，m4；A——廠基面計(jì)算截面積，m2。式(13-4)假定廠房基礎(chǔ)為剛體，廠基面地基應(yīng)力為線性分布。http://

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cn/(三)

地基應(yīng)力計(jì)算http://

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cn/2．計(jì)算要求巖基上廠房地基面上的垂直正應(yīng)力用材料力學(xué)計(jì)算時(shí)應(yīng)符合下列要求：(1)廠房地基面上承受的最大垂直正應(yīng)力，不論是何種型式的廠房，在任何情況下均不應(yīng)超過地基允許承載力，在地震情況下地基允許承載力可適當(dāng)提高。2．計(jì)算要求http://

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cn/(2)廠房地基面上承受的最小垂直正應(yīng)力(計(jì)入揚(yáng)壓力)應(yīng)滿足下列條件：河床式廠房：除地震情況外都應(yīng)大于零，地震情況允許出現(xiàn)不大于0.1MPa的拉應(yīng)力。壩后式和引水式廠房：正常運(yùn)行情況下，一般應(yīng)大于零；

機(jī)組檢修、機(jī)組未安裝及非常運(yùn)行情況下，允許出現(xiàn)不大于

0.1~0.2MPa的局部拉應(yīng)力。地震情況下，如出現(xiàn)大于0.2MPa的拉應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行專門論證。廠房整體穩(wěn)定和地基應(yīng)力計(jì)算不滿足要求時(shí)，應(yīng)在房地基中采取防滲和排水措施。第三節(jié)

吊車梁及排架柱結(jié)構(gòu)計(jì)算http://

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cn/一、吊車梁吊車梁是直接承受吊車荷載的承重結(jié)構(gòu)。1、橋式吊車特點(diǎn)：起吊容量大、工作間歇性大、操作速度緩慢、使用率低(只在機(jī)組進(jìn)行安裝和檢修時(shí)才用)。2、吊車梁形式：預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)(較少采用)3、鋼筋混凝土吊車梁分為：現(xiàn)澆、預(yù)制和疊合梁等形式。

現(xiàn)澆吊車梁可分：單跨簡支和多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)(在廠房伸縮縫處必須分開)。預(yù)制梁大多為單跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。4、吊車梁截面截面形式：矩形、T形和I字形。(一)

吊車梁荷載http://

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cn/固定荷載：自重(按吊車梁實(shí)際尺寸計(jì)算)、鋼軌及附件重根據(jù)廠家資料取，初估時(shí)可取1.5~2.0kN/m。移動荷載：承受移動的豎向集中荷載、橫向水平制動力。(二)吊車梁內(nèi)力計(jì)算和截面設(shè)計(jì)內(nèi)容承受移動豎向輪壓作用的內(nèi)力計(jì)算。承受移動橫向水平制動力作用的內(nèi)力計(jì)算。正、斜截面的強(qiáng)度計(jì)算。扭矩計(jì)算、撓度計(jì)算。裂縫寬度驗(yàn)算和局部拉應(yīng)力計(jì)算。二、排架柱http://

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cn/排架柱是廠房上部的主要承重結(jié)構(gòu)。

廠房排架柱一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以牛腿面為界分上柱和下柱。

排架柱高度較高，通常為20~30m。主廠房一般為單層排架，安裝間單層、多層均有。排架柱跨度一般在10~25m范圍內(nèi)，且大多是單跨排架。

排架柱的構(gòu)成多采用實(shí)復(fù)柱與屋面大梁現(xiàn)場澆筑的整接型式

由于水電站廠房布置各不相同，排架柱的型式、尺寸、受荷情況也不相同，設(shè)計(jì)較難標(biāo)準(zhǔn)化、定型化。(一)排架柱設(shè)計(jì)荷載http://

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cn/(一)排架柱設(shè)計(jì)荷載http://

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cn/作用在排架柱上的荷載分恒載和活荷載兩類

1．恒載屋面自重g1s小柱自重G1s大柱自重G2s吊車梁自重G3(包括軌道和附件重)s樓板荷載s上游側(cè)尚有填土壓力或山巖壓力(地面高程高出柱底高程)?；詈奢d一般包括屋面活荷載(人群荷載或雪荷載)p1s吊車豎向荷載DmaxsDmins橫向水平制動力Tmax，風(fēng)荷載p2s

p3等。

溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力s尾水壓力(下游水位高出柱底高程時(shí))s地震荷載(地震區(qū))。荷載組合要選擇可能發(fā)生的最不利情況進(jìn)行組合。(二)

排架計(jì)算簡圖廠房排架結(jié)構(gòu)為一空間構(gòu)架，一般均簡化成按縱、橫兩方向的平面結(jié)

構(gòu)分別進(jìn)行計(jì)算。由于縱向平面排架柱較多，剛度較大，荷載較小，往往可不必計(jì)算。橫向平面排架柱由于荷載大，剛度相對較小，為排架計(jì)算的主要內(nèi)容。主機(jī)間和安裝間典型排架計(jì)算簡圖（a)主機(jī)間剛接排架(b)裝配場剛接排架(c)主機(jī)間鉸接排架(d)裝配場鉸接排http://架/架b

j.daikan.cn/(二)

排架計(jì)算簡圖http://

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cn/1．計(jì)算單元橫向平面排架是由相鄰柱距中線劃出一個(gè)典型區(qū)段作為一個(gè)計(jì)算單元

2．計(jì)算簡圖上、下柱截面不等，為一變截面排架，計(jì)算簡圖根據(jù)柱與屋面大梁樓板和基礎(chǔ)連接的實(shí)際情況選取。當(dāng)排架柱與屋面大梁整體澆筑時(shí)，柱與梁視為剛接；屋蓋采用厚板結(jié)構(gòu)時(shí)，也為剛接；當(dāng)屋蓋采用屋架結(jié)構(gòu)時(shí)，柱與屋架視為鉸接。排架柱與基礎(chǔ)連接。排架上游柱腳一般假設(shè)固定在水輪機(jī)層塊體混凝土頂部。如上游墻較厚，則上游柱可假設(shè)固定在底墻頂部。當(dāng)廠房下游墻為與尾水閘墩整體澆筑的厚墻時(shí)，排架下游柱腳可假設(shè)固定在尾水閘墩頂部，否則按固定在水輪機(jī)層考慮。(二)

排架計(jì)算簡圖http://

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cn/排架柱與樓板連接。樓板可視為柱的鉸支承。安裝間樓板剛度較大，且大梁與柱均為一期混凝土整體澆筑，可視為剛接。計(jì)算簡圖中，橫梁的計(jì)算工作線取截面形心線(屋架則取其下弦線)。柱取上部小柱的形心線，整個(gè)柱為一階形變截面構(gòu)件。3．計(jì)算寬度計(jì)算排架各桿的剛度時(shí)，柱截面計(jì)算寬度的取法為：當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為磚墻時(shí)，取柱寬；當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為與柱整澆的混凝土墻時(shí)，取窗間凈距。橫桿計(jì)算寬度的取法是：當(dāng)橫桿為獨(dú)立梁(即采用預(yù)制屋面板)時(shí)，取梁寬；當(dāng)橫桿為整澆肋形結(jié)構(gòu)時(shí)，按T形截面梁計(jì)算剛度。(三)

內(nèi)力計(jì)算http://

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cn/排架計(jì)算中，各桿均視為剛桿計(jì)算。排架的內(nèi)力計(jì)算按《結(jié)構(gòu)力學(xué)》的一般方法進(jìn)行。

如果排架為對稱的二階形柱Π形時(shí)，可利用現(xiàn)成的圖表計(jì)算內(nèi)力；

如果排架柱為不對稱或桿件為變截面時(shí)，可利用專門圖表查出各桿件的形常數(shù)和載常數(shù)，然后用迭代法或力法計(jì)算內(nèi)力。水電站廠房排架大部分或全部為水上結(jié)構(gòu)，一般可按《鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。

當(dāng)排架的施工條件難以符合上述規(guī)范時(shí)，則按《水工鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)。第四節(jié)

發(fā)電機(jī)的支承結(jié)構(gòu)與風(fēng)罩http://

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cn/一、發(fā)電機(jī)的支承結(jié)構(gòu)(機(jī)墩)發(fā)電機(jī)的支承結(jié)構(gòu)，其底部與蝸殼頂板聯(lián)成一體，承受著巨大的靜、動荷載，必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。(一)作用在機(jī)墩上的荷載及荷載組合

1.垂直靜荷載A1：機(jī)墩自重，發(fā)電機(jī)層樓板重及其荷載，發(fā)電機(jī)定子、勵(lì)磁機(jī)

定子及附屬設(shè)備等重，上機(jī)架、下機(jī)架重，定子基礎(chǔ)板重，下支架在頂起轉(zhuǎn)子時(shí)的負(fù)荷。這些荷載通過定子基礎(chǔ)板作

用于機(jī)墩頂部。(一)作用在機(jī)墩上的荷載及荷載組合http://

bj.

daikan.

cn/垂直動荷載A2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連軸及勵(lì)磁機(jī)等重，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪連軸重，軸向水推力。通過推力軸承傳給機(jī)架再傳至機(jī)墩。水平動荷載A3由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心與轉(zhuǎn)動中心不相重合，有一個(gè)偏心距e，因而機(jī)組在運(yùn)行中就產(chǎn)生了慣性離心力，從而引起機(jī)墩的振動離心力。通過導(dǎo)軸承傳給機(jī)墩。扭矩荷載A4轉(zhuǎn)子磁場對定子磁場的引力受到切向力的作用，通過機(jī)墩基礎(chǔ)板的固定螺栓形成機(jī)墩扭矩。荷

載

組

合機(jī)座荷載組合表荷載組合計(jì)算情況名稱荷

載A1

A2A3