印尼ASAHAN NO.1水电站厂房吊车梁施工设计方案

摘　要：在水电站厂房工程施工中，桥机梁施工直接关系到桥机安装及机电安装，其施工一般是关键线路的重要节点，因此，一般采用预制结构以确保工期；本文就印尼阿萨汉厂房桥机梁的施工设计方案做一简单的介绍和说明。

关键词：吊车梁； 预制； 现浇； 钢梁平台；
第 1 部分
1.综述:
1 .1 概述
　　Asahan No.1水电站位于Asahan河上游河段，距北苏门达腊省会棉兰市东南约130km。上游是著名的旅游胜地—Toba（多巴）湖，相距25km。Toba湖流域面积3450km2，水面面积1100k m2，正常高水位905.00m时总库容为28.6亿m3，水量充足。
　　Asahan河规划有3个梯级电站，其中Asahan No.2水电站已建成。Asahan No.1水电站工程由已建的坝区建筑物和拟建的6.3km的引水隧洞、调压井、压力钢管、地面厂房和开关站等组成。
　　Asahan No.1水电站工程是以发电为主，设2台机组，单机容量90MW，总装机180MW，年保证发电量11.75亿kW.h。电站设计水头163.5 m，设计流量122 m3/s。
　　印尼Asahan No.1水电站厂房结构自厂区后边坡往Sigulagula河方向依次为主变室、主机间安装间、副厂房和尾水渠。厂房内装两台单机容量90MW为轴立式机组，尺寸为63.32×20.5×37.6(L×W×H)m，其中主机间长40.3m，安装间长22m。厂房桥机吊车梁共16根，T型简支结构，位于Sta.L 0+31.67m～Sta.R 0+30.65m，上、下游梁中心轴线为Sta.U 0+10.0、Sta.D 0+6.5，梁底高程EL748.20。
1 .2 厂房桥机梁及施工方法
　　吊车梁为T型断面，顶部翼板宽0.9m，底宽0.5m。梁高为1.8m和1.9m。安装间吊车梁共三跨，DLA-1/ 2梁长为7.46m，单根梁重20.36t；DLA-3/ 4为6.95m，单根梁重18.98t ；DLA-5/ 6为7.175m，单根梁重19.58t。1#机两跨吊车梁DLB-1/ 2、DLB-3/ 4长度均为9.66m，单根梁重27.64t。2#机段三跨吊车梁长度分别为DLC-1/ 2为6.675m，单根梁重18.23t ；DLC-3/ 4为6.53m，单根梁重17.84t ；DLC-5/ 6为7.26m，单根梁重19.81t 。行车梁轨道顶设计高程为EL750.35，顶部10cm厚轨道二期砼。梁底与吊车柱牛腿面预埋板通过30mm厚的钢板焊接连接，梁体利用型钢与柱、墙连接。
　　考虑到工期且受现有吊装场地和设备能力的限制，吊车梁施工采用预制和现浇两种方式。安装间6根吊车梁采用预制方式，主厂房的10根吊车梁采用搭设承重平台现浇的方式。
2.预制梁施工设计
　　本工程考虑到安装间段桥机安装工作面关系到厂房机电设备的安装工期，且安装场EL740.15楼板工作面较宽敞以及预制构件吊装的便利，厂房安装间段的桥机梁采用预制结构施工，吊装采用40T履带吊吊装。
1 .3 预制场设置
　　为了便于预制梁的吊装并结合预制场场地的要求，本工程就近利用安装间（EL740.15）作为预制场，各预制粱按编号就近在其牛腿下方预制、养护，待混凝土龄期结束后吊装。
1 .4 吊车选型
　　考虑到安装间楼板承载力、场地大小、进场大门尺寸、吊装能力及当地租凭市场情况；本工程选用日产KOBELCO-7045G型履带吊车，其最大起重量45吨，主臂长48.77米，加附臂总长54.86米。
　　根据吊物起吊高度、距离、重量及各种起吊参数，综合考虑后，选用24米主臂，在吊物起吊到预定高度后，通过主机行走将吊物吊装就位，基本可以满足吊装要求。
　　吊车进场：吊车主臂钢丝绳斜拉三角架净高5.12m高于安装场大门框架粱净高（5m）；根据吊车的性能及塔吊配合，吊车将主臂放平行走至门口后，利用塔吊吊住主臂，吊车放下斜拉架进入安装场。
1 .5 安装场楼板承载力复核
  1. 结构：安装场为框架板梁结构，板厚600mm,次梁700×1800mm,主梁800×1800mm；主要做为设备装卸和安装。
  2. 设计荷载；
　　根据设计结构计算书：荷载计算如下：
　　⑴结构设计参数(《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057-1996）)结构重要性系数：本结构为三级建筑，安全等级为二级，取γ0=1.0。设计状况系数：持久状况φ=1.0，短暂状况φ=0.95，偶然状况φ=0.85。结构系数：取γd=1.2。荷载作用分项系数：：永久作用分项系数γG=1.05,可娈作用分项系数γQ=1.2。放大系数：永久作用和可变作用的分项系数分别为1.2和1.4；则：永久作用=1.05  可变作用=1.03
　　⑵地震基本烈度
　　本工程厂房地震动峰值加速度为0.3g，一类场地，抗震设防烈度8度。
　　⑶安装间（EL740.15）楼板荷载计算
　　本层为安装间层，所受恒载为自重及装修荷载，活载为机电设备荷载。根据资料：恒载为建筑装修荷载1.3kN/m2,水轮机重30t，定子重150t，转子重210t，机盖重30t。
　　本层楼板厚60cm，据经验，楼板受力范围至少45°范围往下转递，故转子、定子、转轮、顶盖所在处楼板实际受力荷载为：
　　转子：85.26kN/m2  定子：33.10kN/m2
　　转轮：29.50kN/m2    顶盖： 17.30kN/m2.取本层楼板活荷载为100kN/m2。
　　⑷设计荷载
　　动载工况：
　　楼板恒载：1.3kN/m2  活载：97.9kN/m2
　　吊车空载+地震工况：
　　楼板恒载：1.2kN/m2  活载：87.6kN/m2
  3. 吊车荷载：
　　根据履带吊说明书：吊车的整机重量为45t，吊车工作轮压61kN/m2；吊车履带尺寸为；长×宽=4520×760；吊车履带着地面积为：6.87m2。吊车吊最重件时，荷载:取660kN。考虑到吊车吊装时冲击，取动载系数1.4,则吊车荷载：924kN。本层楼板厚60cm，故吊车履带所在处楼板实际荷载为：52.38 kN/m2
　吊车计算荷载：43.93 kN/m2
  4. 结论：
　　本工程安装场楼板采用PKPM软件进行结构内力和配筋运算，对二种工况的计算结果进行比较后，安装间EL740.15层在动载工况时属最不利工况，其结构配筋按照动载工况进行内力和配筋设计，而吊车荷载远小于动载工况的活载，故无须对安装间结构的内力和配筋进行复核，可以满足吊装要求。
  5. 吊装施工要求：
　　混凝土龄期：混凝土龄期必须达到28d设计龄期后方可进行吊装作业。混凝土表面防护：履带在混凝土表面行走时必须垫废旧轮胎或板块；同时在定子、转子支墩二期坑槽、孔洞处加盖2公分钢板，保护边角混凝土不受破坏。吊车运行：吊车运行时，必须放慢速度，同时在行走时必须加垫板块，防止对楼板形成过大的冲击。
2现浇梁钢平台支撑设计
2.1概述
　　厂房机吊车梁最重件为1#机上、下游两跨DLB-1/ 2、DLB-3/ 4四根梁，长度为9.66m，单根梁重27.64t。受吊装设备起重载荷要求和吊装场地的限制，厂房1#、2#机的1 0根吊车梁采用现浇方案。经对厂房排架、楼板梁一、二期砼结构的施工顺序和厂房进度关键线路的综合考虑，拟采用在排架柱上埋设型钢搭设承重平台现浇的方案。
　　承重平台主梁采用两根40a工字钢，吊车柱上预埋2根20 a工字钢，埋深2m外露1m做为40a工字钢主梁的支座。承重平台利用厂房排架EL744.95联系梁做为承重次梁，与40a工字钢共同承载载。
2.2计算资料及参数
2.2.1、计算资料
　　⑴承重平台主梁采用两根I40a工字钢，材质为Q235，并排布置。长L=9.2m，上、下翼缘间隔1m用δ=8mm钢板焊接成对称工字型截面梁。
　　I40a工字钢主梁的两侧端架设在预埋于吊车柱内的两根I20a工字钢上。支座I20a工字钢长L=3m，埋入柱内2m，外露1m。
  ① I40a工字钢参数
　　Ix= 21700cm4Wx= 1090cm3 q= 67.598kg/m
　　高h=40cm 宽b=14.2cm
　　翼缘厚 tf=16.5mm 腹厚tw= 10.5mm
　　x轴塑性发展系数γx：1.05Ix：Sx=34.1
　　梁允许的挠度  ［v］：L/250
  ② I20a工字钢参数
　　Ix= 2370cm4 Wx= 237cm3 q=27.929kg/m
　　高h=20cm 宽b=10cm
翼缘厚 tf= 11.4mm  腹厚 tw= 7.0mm
x轴塑性发展系数γx:1.05Ix：Sx=17.2
梁允许的挠度  ［v］：L/250
  ③ H16 H钢参数
　　Ix=1672cm4  Wx=220cm3 q=30.4kg/m
　　高h=15.2cm 宽b=16cm
翼缘厚 tf= 9.0mm  腹厚 tw= 6.0mm
x轴塑性发展系数γx：1.05
梁允许的挠度［v］：L/250
　　Q235钢参数：
　　弹性模量E=206Gpa=2.06×105N/mm2  屈服点fy=235N/mm2
　　强度设计值：抗弯、抗拉、抗压f=215 N/mm2 抗剪fv=125 N/mm2
　　120×150松枋木参数：
　　Wx=450cm3 Ix=3375cm4
　　抗弯强度fm=13N/mm2
　　抗剪强度 fv=1.4Mpa
　　抗压强度fc=10Mpa 
　　弹模E=1.0×104Mpa、

　　⑵枕木承重平台及桁架采用截面积为12cm×15cm的松木，沿梁跨方向80cm间距布置。松木密度为500～600kg/m3。
　　⑶平台上活荷载仅考虑施工人群荷载和砼振捣荷载，风载影响较小可不需考虑。
　　⑷恒载为吊车梁、承重平台和工字钢梁自重
　　2.2.2、荷载计算
　　① 现浇梁本身的自重荷载：27.5KN/m
　　模板的自重荷载
　　面板：0.55 KN/m
　　横围檩、底部垫木：1.69KN/m
　　竖向围檩：0.46 KN/m
　　综合系数：考虑模板伸出结构及马丁、铁钉的荷载，取综合系数为1.2,上述模板的自重荷载合计为3.24 KN/m
② 施工人员及设备荷载：取1KN/m
③ 振捣砼时产生的荷载：取1KN/m
2.2  结构内力计算
　　1、荷载传递到方木支撑体系上部时的计算：q=rgqg+ψrvqv=39.688KN/m
　　则均布荷载作用下，(按连续五跨梁)
　　跨内最大弯矩：M=kmql2，支座最大剪力：V=kvql，跨中最大挠度：f=kf×ql4/100EI
  V1=12.82KN V2=36.84 KN
　　V3=31.70KN V4=32.54 KN
　　最大弯矩（第一支座处）：M=－2.8KNm
　　最大挠度（第一跨中处）：f=0.34mm
　　弯矩、挠度较小，故不进行复核。
　　2、方木支撑体系的立柱验算
　　由于弯矩较小，略去不计，按轴心受压构件进行计算
按木结构设计规范；λ=l0/I i=（I/A）1/2 i=4.33cm  l0为计算长度取2.83m；
　　λ=65.35<[λ]=120，木材等级按TC13，则查表可知弯曲系数ψ==0.497
　　N=ψAfc=89.46>N=9.5 KN，满足要求
　　竖向方木受力按最大一个受力情况进行计算。
　　3、方木支撑体系下部H16钢梁验算
　　方木自重荷载设计值：2.3 KN/m
　　钢梁自重荷载设计值：0.365 KN/m
　　计算跨度取1.05Ln和Ln+（a+b）/2的大值:取L0=2.242m
　　经过计算， 最大荷载为
　　当F=39.14 Va=11.72KN  Vb=28.48KN
　　跨中最大弯矩Mmax=18.10KN.m
　　最大剪力Vmax=28.48KN
　　（1）抗弯承载力
　　Mmax/rxWn=82.27N/mm2 　　（2）抗剪承载力
　　VmaxSx/Ixtww=22.03 　　（3）挠度验算
　　fc=fmax=ML02/12EI=2.2 　　4、主钢梁计算
　　钢梁自重的荷载设计值：0.81KN/m
　　支座反力Vmax=V1=V2=80.43KN
　　最大弯矩（跨中）Mmax=-184.13KNm
　　（1）抗弯承载σ=Mmax/rxWx=160.88N/mm2 　　（2）抗剪承载τ= VmaxSx/Ixt=22.46 　　（3）挠度验算
　　按荷载标准值进行计算:q=qg+qv=32.74KN/m
　　钢梁自重的荷载标准值：0.68KN/m,支座反力V1=V2=67.87KN
　　最大弯矩（跨中）：M=Mmax=-154.90KN.m,挠度：fc=fmax=27.32mm=l/318 　　（4）整体稳定性验算
  本结构中在EL744.95联系梁上预埋锚板，由H160钢梁将主梁与联系梁可靠焊接，由于存在侧向支撑，所以整体稳定性能满足要求，不进行计算。
　　5、悬臂支撑钢梁的验算
　　自重荷载设计值q=0.34KN/m
　　支座反力Vmax=80.77KN
　　支座弯矩Mmax=51.81KN.m
　　（1）抗弯承载
　　σ=Mmax/rxWx=208.18N/mm2 　　（2）抗剪承载
　　τ= VSx/Ixtw=67.03 N/mm2 　　（3）挠度验算
　　按荷载标准值进行计算:
　　自重荷载标准值q=0.28KN/m
　　支座反力Vmax=69.15KN
　　最大弯矩（跨端）Mmax=38.2KN.m
　　集中荷载至梁外端面的挠度：fx=(Pb2L0/6EI)×(3-β-βξ)
　　梁外端挠度：fa=1.97mm< L0 /250
2.3 结论
　　经计算，其结构的稳定和抗压、抗弯等指标均能满足承载要求。悬挑工字钢的抗弯应力较大，故设置工20a钢斜撑。
3现浇梁支撑平台施工要求
3.1材料替换
　　根据施工现场的材料情况，工20a和H16型钢采用国内钢材，在印尼购买H40型钢以替代工40a型钢，根据厂家提供的材质说明，对钢梁进行替代验算。
　　1、结构验算：
　　由于H钢单重比工字钢小，荷载按工字钢计算，相应内力计算同工字钢。
　　（1）抗弯承载
　　H钢σ=Mmax/rxWx=147.36 　　（2）抗剪承载
　　H钢τ= VmaxSx/Ixtw=28.152 　　（3）挠度验算
H钢：fc=fmax==5ML02/48EI=25.02mm 　　根据验算结果，可以满足要求。
　　2、机械力学性能验算
　　（1）、本工程采用印尼产G3101SS400型钢，其生产标准为JIS日本标准，钢材抗拉强度为400N/mm2,其各项机械力学性能与Q235钢材机械性能对照详见表4-1。
　　（2）、力学性能对比
　　从表中看出，JIS标准钢材与A3钢材的区别，由于本项目采用的H钢厚度为13mm≤15mm，相应屈服强度245＞240，抗拉强度400～510＞380～470，延伸率17＜22。
　　因此，采用H钢替代工40a钢，其力学性能满足工程要求，计算符合规范要求。
　　
表4-1  机械力学性能
型号
屈服强度（N/mm2）
抗拉强度（N/mm2）
延伸率，%

钢板厚（mm）

钢板厚（mm）

16≤
＞16～40

5≤
5～16
＞16～50
JIS G3101 SS400
245
235
400～510
21
17
21
Q235(A3)
15≤
＞15～20
＞20
380～470
δ5
δ10

240
230
220

26
22


3.2钢平台支撑施工技术要求
　　1、工20a预埋长度2m，并与柱筋焊接，同时设锚筋，确保柱体均匀受力，预埋时与柱边要有足够距离，确保柱结构不被破坏。
　　2、工20a伸入柱内不得影响柱受力钢筋的布置，两根工字根间隔布置，且间距应大于骨料最大粒径的1.5倍，以保证混凝土的浇筑质量。
　　3、为了确保柱结构不受破坏，在预埋工字钢的上下侧，柱箍筋应加密布置。
　　4、当柱混凝土龄期达75%后，方可开始平台支撑结构和粱模板施工，当柱混凝土龄期达85%后，方可开始粱混凝土浇筑。
　　5、吊车粱钢筋及预埋件可以预先加工、绑扎、焊接成型，待模板安装后，利用塔吊吊装就位，以缩短施工工期。
　　6、混凝土浇筑时，应均匀、缓慢下料，以避免不均匀受力和对结构的冲击。
　　7、埋件割除后磨平，并刷防锈漆，确保排架柱结构和外观不受影响。
4.结语:
　　在水电站厂房施工中，吊车梁的施工进度是厂房机电安装及发电进度的前提保障，在条件具备情况下，采用预制结构施工是首选方案，可以节省工期，提高工效，确保桥机安装不受吊车粱混凝土龄期影响。
　　在本工程吊车粱施工方案设计中，我部综合以下几项因素：（1）、吊车梁单件重较大，最重件27吨。（2）、起吊能力和场地限制，施工塔吊最大起吊能力12吨，主机间上下游面没有大型起重设备作业场地。（3）、现浇立模支撑条件较差，由于主机间二期预留，垂直支撑高度26米，且工地施工材料和劳动力也紧张。经比较采用预制和现浇相结合的施工方案。
　　在实际施工中，预制梁吊装利用桥机安装的吊装设备，在准备工作充分的情况下，仅用一个工作日完成安装间预制梁的吊装；在现浇梁支撑平台施工中，利用排架柱的施工间隙安排施工，仅用十个工作日完成上下游吊车梁施工；利用两台机错开施工的时间差，将一号机支撑拆除后转至二号机施工。
　　从目前完成的一号机吊车梁看，完全可以满足施工进度要求，且省时、省料、省工；对类似工程的施工提供很好的借鉴和参考。
　
　　
　　参考文献：
　　1、《水工钢筋混凝土结构学》（第三版） 四校合编  中国水利水电出版社
　　2、《木结构设计规范》（GB50005-2003）
　　3、《材料力学》（第三版）  上海交通大学编著    上海交通大学出版社
　　4、《最新钢结构实用设计手册》（第二版） 严正庭等主编 广西科学技术出版社
　　5、《建筑结构静力计算手册》（第二版）《建筑结构静力计算手册》编写组 中国建筑工业出版社