升船机主体建筑物设计

垂直升船机的主要建筑物由上、下闸首，升船机的承重结构和顶部机房以及上、下游引航道的靠船和导航建筑物等部分组成，其中，上、下闸首，承重结构为升船机的主体建筑物（图4-6）。不同型式全平衡垂直升船机上、下闸首的结构型式基本上是一样的。但升船机承重结构和顶部机房的结构，随承船厢的平衡方式、提升机构的型式和事故锁定装置的不同而不同，目前较普遍采用的平衡重式垂直升船机，通常在承船厢两侧布置支撑承船厢和平衡重的承重结构，并在顶部布置机房。浮筒式垂直升船机，则在承船厢下面采用构架与平衡浮筒连接，由于该型式升船机需开挖的竖井深度是提升高度的3 倍左右，在地质条件不允许开挖深井的情况下，采用这种型式的升船机会受到限制。水利枢纽中的垂直升船机基本上没有采用这种型式的升船机。垂直升船机的上、下游引航道靠船和导航建筑物的布置和结构型式基本同船闸一样。

图4-6 升船机主体建筑物示意图

4.3.1.1 闸首

（1）结构型式。升船机闸首的结构按其受力状态，可分为整体式和分离式两种结构型式。合理的结构型式，主要根据基础地质条件、枢纽总体布置和闸首工作等条件进行选择。通常在较软弱地基上，为避免不均匀沉陷，一般采用整体式结构；在坚硬基岩上，可以采用分离式结构。分离式闸首结构一般用于水头小、水位变幅小的升船机。

整体式结构的特点是两侧边墙和底板连成整体，可最大幅度地减少升船机在枢纽坝轴线上的布置宽度，较好地适应地质条件差的基础，减少开挖和混凝土的工程量。整体式结构底板尺度较大，为减少施工期的初始应力和浇筑强度，需分缝分块，并严格控制浇筑程序和温度。采用整体式结构的底板钢筋量较多，施工难度相对较大。闸首底板在施工期防止裂缝的问题和航槽的侧向水荷载造成底板应力较大的问题是整体式闸首结构设计的关键问题。施工期结构的分缝需根据基础的约束条件、混凝土的入仓温度、浇筑层厚、材料性能、施工降温措施等条件综合确定，根据结构的受力条件，确定是否采用键槽缝、宽槽缝及其他缝面型式，根据降温措施、结构内外的温度条件选择合适的并缝时机。由于两侧边墙承受的水荷载大，较大的底板应力需慎重考虑底板的配筋方案。三峡升船机整体式上闸首底板采用了预应力结构，是满足结构的强度要求、保证结构安全的重要措施之一。

分离式结构的特点是闸首边墩和底板分开，结构受力明确，设计、施工相对简单，底板钢筋用量少；但相对于整体式结构，混凝土用量多。为减少闸首占用挡水前缘的长度，保证闸首侧墙在双向水荷载作用下的强度与稳定性，必要时需考虑闸首的边墩与相邻建筑物联合受力的可能性。这种闸首型式的航槽底板顺水流方向纵缝水平止水的施工难度大。

（2）闸首布置。闸首是承船厢室与上、下游引航道之间的挡水结构，是保证船舶安全可靠地进出承船厢的主要建筑物。在闸首上布置闸门，闸首的输水系统，承船厢的充、泄水系统，升船机室的排水设备和闸门启闭机等，同时还需考虑与承船厢室结构之间的交通。

闸首布置决定于闸首上的设备型式和闸首与承船厢、承船厢室结构以及引航道的关系，闸首结构尺寸应满足稳定和强度方面的要求。闸首的长度和宽度与过船要求、工作闸门的型式、门库的设置、闸门的检修等条件有关；闸首顶面及门槛高程根据水深的大小和上、下游的水位条件确定。

在选择闸首设备时，应考虑其对闸首布置和结构的影响，在边墩的同一断面上，一般不要同时布置多种设备，以免增加闸首宽度，同时要避免各种设备间的相互干扰。

水利枢纽上升船机上闸首兼有挡水坝段和升船机闸首的双重功能，上闸首与挡水坝之间的关系，主要决定于地质条件、承船厢室的底部高程和左右两侧坝基的高程等。由于通常升船机克服的水位差较大，因此坝基高程至承船厢室底部之间高程相差较大，在软土地基上，一般采用渡槽结构把闸首与坝连成整体，渡槽的下部或维持土壤的天然斜坡，或设斜挡土墙，高坝洲垂直升船机的上闸首就采用这种型式。在岩石地基上，由于岩石可以维持较陡的稳定坡度，采用闸首与挡水坝结合的方式时，闸首的尾部可采用衬砌式结构（图4-7），即闸首尾与衬砌墙连成一体。当坝基高程基本与承船厢室的底部高程一致时，也可采用上闸首与坝结合的方式，如三峡升船机。若升船机的提升高度不大，从优化布置、合理利用场地、节省工程量考虑，还可采用闸首（与坝结合）与承船厢室的承重结构相结合的布置型式，如清江隔河岩一级升船机。

图4-7 尾部带衬砌式结构的整体式闸首纵剖面图

布置在枢纽挡水线上的上闸首具有挡水大坝一样的功能，基础需布置防渗帷幕和排水设施。

（3）结构分析。目前，世界上尚无专门的升船机结构设计规程、规范。升船机闸首结构设计参照一般水工建筑物和船闸闸首、闸室设计所遵循的原则、采用的方法和使用的规范，根据升船机闸首的特点，对闸首结构断面和基础岩体的强度和抗滑稳定，分别按承载力极限状态和正常使用极限状态进行计算和验算，乃至进行抗浮、抗倾验算。按正常使用极限状态进行闸首的应力验算、结构变形计算和复杂地基局部渗透稳定验算。按承载力极限状态设计时，应考虑荷载的基本组合和偶然组合，按正常使用极限状态进行计算时，应考虑荷载的短期组合和长期组合。闸首设计荷载一般参照DL5077—1997《水工建筑物荷载设计规范》、GB5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》、JTJ307—2001 《船闸水工建筑物设计规范》、SL319—2005《混凝土重力坝设计规范》执行。

闸首的整体稳定性是闸首设计的关键，需要考虑以下几个问题：

1）当基岩较完整时，一般按规范要求核算沿建基面的稳定，若基岩内存在不利的软弱结构面，则还需核算深层抗滑稳定。

2）对深层抗滑稳定的分析，目前仍然采用“刚体极限平衡理论”。重要的大型工程，需同时采用“有限元分析”、“地质力学模型”等方法进行验证，但仍以“刚体极限平衡理论”的成果作为主要依据。

目前的水工规范仅就建基面的抗滑稳定提出了安全判据，而对复杂的深层滑动问题，由于受到地质条件、滑动模式、分析方法等因素的影响，其安全度的判定较为困难，而深层抗滑稳定的安全判据，将直接关系到工程的安全。

地质力学模型试验，主要起验证的作用，方法是模拟混凝土结构、基岩岩体及主要的软弱结构面，并在预计的可能滑移面上埋设必要测量仪器，监测各点的位移—荷载过程，将曲线出现明显的非线性特征处视为失稳特征点，作为进一步分析的参考。

闸首结构需进行结构的静、动力分析，为结构设计提供必要的依据。闸首结构的静力分析需考虑以下几个方面的问题：

1）不同的荷载组合工况下结构的应力、应变状态，验证结构的强度是否满足要求。

2）分析不同的分缝、分块及混凝土施工浇筑方案对结构应力的影响，寻求合理的混凝土施工方案。

3）研究结构分缝缝面的力学性状及其对整体应力条件的影响，以寻求有效的接缝措施。

4）研究基础的变形及其对结构应力的影响，确定基础处理的措施。

5）分析闸首结构的温度场和应力场，研究施工期、运行期结构的温控措施。

6）分析闸首结构在各种工况下的应力情况，进行合理的配筋。

7）对于有抗震设防要求的结构，还需对闸首结构进行动力响应分析。动力响应分析主要按DL5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》进行。大中型水利枢纽上的挡水建筑物一般抗震设防要求高，闸首的抗震设计需与工程的抗震设防要求相一致。

4.3.1.2 塔柱结构

（1）结构型式。塔柱结构型式按照建筑材料的不同有钢结构、钢筋混凝土结构、钢结构—钢筋混凝土结构组合的混合式结构等型式。按照结构特征又可分为薄壁筒体结构、重力墩式结构和杆件结构。比较有代表性的是德国的尼德芬诺（Niederfinow）升船机采用的是全钢杆件结构，吕内堡（Lüeneburg）升船机采用的是钢筋混凝土结构，比利时斯特勒比（Strépy Thieu）双线升船机采用的是中间为钢筋混凝土筒体结构、两侧为钢结构的组合式塔柱结构。

近年来，我国已建和在建的垂直升船机由于都建设在水利枢纽上，提升高度较大，结合在水利枢纽上升船机的特点，如塔柱有侧向挡水的要求，因此，均采用钢筋混凝土塔柱的结构型式。采用这种型式的塔柱具有侧向刚度相对较大和施工方便、不需维护等优点。如水口升船机、岩滩升船机、隔河岩升船机和高坝洲升船机等。由于目前钢筋和混凝土材料性能的提高，钢筋混凝土结构施工质量和施工精度的提高，建筑物造型美观以及工程造价低等优点，采用钢筋混凝土塔柱结构是近年来国内外升船机建设的趋势，因此，钢筋混凝土塔柱的结构型式是本节介绍的重点

钢筋混凝土塔柱结构由基础、柱身和柱顶连接结构等组成。塔柱的基础根据地基条件、在枢纽中的位置及周边环境条件等确定，有与船厢室底板结合的整体式底板结构，也有与之分开的独立结构。塔柱基础的设计和基础处理措施，可参照高层建筑基础设计和水工建筑物设计的相关规范进行。

柱顶连接结构指船厢室两侧塔柱结构在顶部的连接，主要为联系梁或连接平台。合理的连接刚度对控制两侧塔柱顶部的相对变位有一定的作用。联系梁与塔柱的连接型式有铰接、简支和固端等。采用铰接和简支的连接方式主要是缓解联系梁在端头的应力集中，采用适当的措施，结构强度能满足要求的条件下一般都会选择采用固端的连接方式。

塔柱柱身是升船机最主要的建筑物，根据升船机运行功能要求和对塔柱结构刚度要求高的特点，钢筋混凝土塔柱一般以筒体和剪力墙为主要承载体，其主要型式为筒式，大体有全筒式、开敞筒体式、筒体—箱梁式和筒—墙式4种，4种型式塔柱的特点见图4-8。

图4-8 4 种型式塔柱横剖面

1）4种型式在横向的刚度相差不大，纵向的刚度则有较大的差别，以全筒式结构最大，筒体—箱梁式结构最小。

2）开敞筒体式结构的温度效应有明显改善，但受风时涡流最乱，风振系数不易正确确定，体型系数也最大，抗扭性能相对较弱。

3）筒体—箱梁式结构横向迎风面较小，可改善风载对塔柱的影响。自重相对较轻，既可节省混凝土工程量，又可减少地震效应，闸室采光也最佳。但大跨度箱梁需施加预应力，施工工艺相对复杂，高空施工有一定的难度，同时，结构体型比

（a）全筒式；（b）开敝式；（c）筒梁式；（d）筒墙式较单薄，地震时的振型复杂，对机房相当不利。

4）筒—墙式结构受风面积最大，墙体的风振脉动效应也最大。地震时筒体受扭较大，振动效应不易计算正确。

5）全筒式结构横向迎风面较大，承受的风荷载相应加大，但结构有足够的刚度，水平位移仍最小，在4种结构型式中，运行期温度应力最高，混凝土用量最大。但全筒式结构的关键是整体性好，传力明确，整个结构体型无论在立面和平面上的布置规则、对称，质量分布和刚度分布均匀并基本重合，有利于抗震；在施工过程中，筒体的稳定性也最好，特别是结构刚度大，相对水平位移小，有利于筒顶机房和设备的运行。

（2）结构布置及结构尺寸。垂直升船机塔柱是支撑承船厢和平衡重的承重结构，同时也是承船厢运行、检修、遇事故状态锁定的支承结构。塔柱布置在承船厢的两侧，与上、下闸首围成升船机的承船厢室。结构布置需满足承船厢在承船厢室的支撑、运行，并能在其上布置机械、电气设备和各种附属设施的要求。

承船厢室的宽度为两侧塔柱的净距，由承船厢的外形宽度加两侧与塔柱的间隙。即

式中 B——两侧塔柱的净距；

Bk——承船厢的外形宽度；

Δb——承船厢与塔柱之间的间隙，与承船厢上与塔柱连接的机械设备布置有关。

塔柱的纵向长度，取决于满足通航要求的承船厢的纵向尺寸、塔柱与闸首的关系、承船厢厢头门和闸首工作门的型式和在塔柱顶部布置的滑轮组和升船机主提升设备所需尺度等条件的要求。

塔柱柱身结构的净空高度，即船厢室地面至顶部横向联系结构的下缘间的垂直净距。

式中 Hc——塔柱柱身结构的净空高度；

H——承船厢的最大提升高度，即上游最高通航水位与下游最低通航水位之差；

Hk——承船厢的结构高度；

ΔhB——船舶的通航净空；

ΔhH——承船厢在最低位置时，承船厢底至船厢室地面间的距离。

塔柱的布置简图，见图4-9。

图4-9 塔柱横向布置简图

通常在塔柱的顶部布置能满足设备运行和检修要求的主厂房、满足供电设备和通风设备等布置的辅厂房、满足控制设备布置要求的中央控制室等。(www.xing528.com)

齿轮齿条驱动、安全机构为螺杆螺母型式的升船机塔柱，其相应部位在平面上形成凹槽，对称布置在承船厢两侧。纵向间距约0.6倍的承船厢长度，对称布置于承船厢的轴线。该型式安全机构的布置直接影响驱动机构的工作条件和事故状态时承船厢的受力条件。

塔柱的总体尺寸需保证其结构的横向刚度，控制其侧向变形，同时考虑结构的强度和稳定因素综合确定，其内部需满足布置各种设备和设施的布置要求，其外形需满足承船厢升降、停靠的要求。

高层建筑规范规定筒体结构的高宽比不宜大于6，但高层建筑结构高宽比的规定主要是为了控制顶部水平位移不过大和结构在抗震时的整体稳定。对于高层建筑，即使采用筒体或筒中筒的结构型式，其筒壁厚度，一般只有20～30cm左右。升船机塔柱的壁厚一般在1.0m左右，在外荷载作用下，顶部水平位移较小，因此高宽比不大于6 的规定不适用于塔柱结构。而且，上部设有塔楼或旋转厅的高耸结构也没有高宽比限值的规定。我国近年来建设的升船机，如清江隔河岩升船机、高坝洲升船机，其塔柱的高宽比均大于8。但应对塔柱结构验算地震作用下的整体抗倾覆稳定性，如果稳定要求不能满足，则应加大基础底板尺寸或对基础采用锚固措施。

从结构受力及节省混凝土用量考虑，塔柱壁厚沿垂直向不必固定不变，可由底部向顶部渐变减薄。采用变厚度壁厚，使塔柱的柔性加大，上部质量减小，对抗震有利。上部壁厚减薄后，更有利于施工期的混凝土散热，降低温度应力，但壁厚的减薄必须沿高程逐步渐变，不宜在某一高程突变，以免引起刚度突然变化，不利于抗震。从施工上考虑，塔柱壁厚沿高度变化会增加施工的麻烦。

塔柱顶板厚度，即为顶部机房的底板，其厚度取决于塔柱筒体的整体性和机械设备及集中荷载对板的冲切承载力，以及板的受剪承载力。钢丝绳卷扬提升式垂直升船机塔柱，顶部采用整体大跨度机房，门机轨道的轮压值及由此产生的板的跨中挠度值不大于1／600。一般说，当采用肋形楼板，梁高在0.8～1.0m时，已可认为水平刚度为无穷大。顶板过厚，并不能增大筒体整体抗侧刚度，相反，板厚增大，却显著地加大塔柱顶部集中质量（顶板质量约占厂房、设备及顶板总重量的4／5）。由结构基本自振周期的理论值计算可知，顶部质量越大，自振周期随之增加，对风振效应不利。且顶部质量越大，相应的地震效应也会增大。因此，在满足整体性和刚度要求的条件下，顶板不宜太厚。

（3）结构静力分析。结构静力分析的目的是研究塔柱变形，各关键断面、关键部位和各部分之间联系结构的应力状态等，从而判断结构强度和刚度是否满足要求。其内容包括确定计算范围内结构和基础的几何物理特性、结构计算所采用的荷载及工况组合，并进行结构分析，根据计算分析对结构进行修改，以寻求结构的经济合理和安全可靠。

1）塔柱设计荷载分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载。

永久荷载主要指结构自重、机械设备中固定不变的部分、土压力和预应力、遇水结构需考虑的水荷载等。

可变荷载主要指风荷载、温度荷载、机房内门机或桥机吊重、机房楼面和屋面的活荷载、塔柱筒体内各功能层的活荷载等。承船厢作用在塔柱上的荷载是可变荷载中的重要组成部分，不同提升型式的升船机，承船厢作用在塔柱上的荷载并不一样。承船厢作用在塔柱上的荷载大体上有：钢丝绳滑轮（或卷筒）作用在顶部绳轮梁上的荷载、承船厢的提升力、导向力、锁定力、平衡重的导向力、锁定力等均作用在塔柱的不同部位，结构设计需考虑承船厢在不同的位置对塔柱作用的整体和局部的影响。

偶然荷载一般指承船厢的事故荷载，有抗震设防要求的地区，还需考虑地震荷载。承船厢的事故荷载，主要包括承船厢内水漏空、水满厢、在承船厢内沉船和承船厢在船厢室进水时被水淹没等产生的承船厢的浮力（或平衡重浮力）。

2）塔柱结构设计需考虑5 种工况，即正常运行工况、非运行工况、检修工况、施工工况和事故工况。

正常运行工况。船厢处于正常工作状态，塔柱除受结构自重及机械设备重的作用外，还受风荷载和温度荷载的作用，并承受提升机构传来的爬升力。

非运行工况。即升船机停机，承船厢锁定。

检修工况。该工况塔柱受力情况随升船机的型式及其检修方案的不同而不同。

施工工况。主要为塔柱完建情况，考虑承船厢及设备的安装荷载等。

事故工况。主要指升船机处于事故状态时，塔柱受到由安全装置传来的事故荷载。

3）温度作用对塔柱结构的变形和应力起着重大影响，温度应力是塔柱结构配筋的重要依据，一般需从混凝土材料、热力学指标、施工期和运行期的温度场等方面进行考虑。

①在计算结构的温度效应时，首先应全面分析混凝土的线膨胀系数、徐变、极限拉伸值、弹性模量等参数，得出具有最佳抗裂性能的骨料品种及配比。

②不同的混凝土，其热力学指标有一定差异。特别是对温度效应影响很大的线胀系数αc 与采用的骨料品种有很大关系。设计中混凝土的热学指标应由专门试验按实用级配实测确定。

③混凝土的弹模Ec（t）及徐变度C（t，τ）也是温度分析中的关键指标，Ec（t）及C（t，τ）也应由专门试验确定。

④温度计算需考虑年气温变化、日照和气温骤降等温度的影响，验算塔柱结构在这些温度作用下的变位和应力是否会超出允许范围。

⑤塔柱结构应分别考虑施工期和运行期的温度作用。施工期，应从塔柱结构底板混凝土浇筑的具体开工日期开始，分时段逐段进行计算，根据浇筑进度，考虑分层浇筑时不同时段的浇筑温度、水泥水化热、周围介质与大气温度、热量的散发和传导等，并计算混凝土不同时段的弹性模量与徐变度，进行结构温度场及温度徐变应力的全过程分析。在施工阶段，应要求每一时段的结构应力（包括温度作用及结构自重产生的应力）小于混凝土的抗拉强度，如不能满足这一要求，则应采取调整浇筑日期、浇筑温度、浇筑进度等措施。一般塔柱在施工期的最大水平向温度应力发生在底板的顶底面，以及塔柱壁上下端与顶板、底板交接的范围内，在这些部位，即使已满足抗裂要求，仍宜配置适当的温度钢筋以控制万一开裂后的裂缝宽度。运行期，主要考虑多年月平均最高与最低气温对塔柱结构竣工后稳定温度之间的温差引起的温度应力对结构承载力的影响。如果塔柱内外壁不设置通风洞，则还应考虑气温变化时塔柱内外温差；当塔柱设置通风孔后，则塔柱内外温差可考虑为3～5℃或不计内外温差。研究运行期塔柱承载力时，认为受拉混凝土早已开裂，截面拉力全部由钢筋承担的。此时只要受拉裂缝限制在一定宽度内，能满足温度变形的需要，温度应力就将大幅度松弛或消散。因此，运行期塔柱承载力设计的主要荷载是风载及自重，温度作用可只以其最大值的0.20～0.25 加以组合。

4）塔柱结构采用空间或平面有限元法进行静力计算分析，计算得出的是结构各主要截面上的弹性应力值，可根据塔柱结构水平截面上的应力图形面积，按应力图形配筋方法进行配筋计算，位于压应力区的受压钢筋，则可按最小配筋率及构造要求配置。

5）塔柱结构的正常使用极限状态验算可考虑为：在施工期间，混凝土在温度作用下应抗裂，结构构件受拉边缘的应力，不应超过以混凝土拉应力限制系数act控制的应力值。在运行期间，不考虑抗裂，但应控制其裂缝宽度。

（4）结构动力分析。建造在地震设计烈度为6 度及以上区域的升船机，需进行抗震设计。一般情况下，设计烈度为7度及低于7度的升船机，可只考虑水平向的地震作用，设计烈度高于7度，需同时考虑水平向和竖向的地震作用。

结构动力分析的主要内容是确定塔柱结构主要的固有频率、振型和阻尼比等动力特性；确定塔柱结构在设计地震作用下的动力反应，最后根据抗震规范要求，评价结构的抗震安全性，对影响升船机设备安全运行的塔柱动位移进行论证。

在进行塔柱结构动力计算之前，需确定升船机的抗震设防标准，与此相对应确定设计烈度、设计地震反应谱、时程曲线、设计地震加速度ah、场地特征周期Tg、结构阻尼比等参数。设计地震加速度的取值对塔柱结构设计和承船厢上与塔柱连接的机构设计至关重要，直接与升船机设计的合理性和经济性相关，需充分论证后确定。塔柱结构在地震作用下的动力响应是塔柱设计的重要依据，也是评价结构安全性和论证其对承船厢及机械设备安全运行的重要依据。地震发生时，塔柱和承船厢是相互作用的，塔柱结构的抗震设计需考虑这方面的作用。

1）动力计算。塔柱的动力计算模式应与相应的规范规定的计算模式相同，计算地震作用效应时，需考虑结构和地基的动力作用，塔柱与水体接触，还需考虑结构和水体的动力作用。一般采用规范规定的振型分解反应谱法，对于特别重要的结构，还应进行动力模型试验和采用时程分析法进行复核计算。在进行时程分析时，宜按震源机制、烈度、近震、远震和场地类别并考虑地震震动强度频谱特性及持续时间，选用适当数量的实际地震记录或人工模拟的加速度时程曲线进行计算。

振型分解反应谱法主要计算塔柱建筑物自身的动力响应，而时程分析法除计算塔柱建筑物自身的动力响应外，还可计算承船厢与塔柱相连接部位的耦合效应。计算塔柱与承船厢的耦合效应时，需考虑承船厢内的动水质量、承船厢与塔柱之间接触前的初始间隙、接触时的阻尼和连接刚度等，塔柱与承船厢的连接刚度需根据结构的实际条件综合确定。

由于施工、结构布置和其他不可遇见的因素的影响，计算时还需考虑塔柱偶然偏心的作用，一般参见JGJ3—2002《高层建筑混凝土结构技术规程》中的相关规定。

塔柱结构为高耸薄壁筒体的钢筋混凝土结构，一般是对称布置在承船厢两侧，沿着升船机轴线方向有剪切变形的影响，垂直升船机轴线方向以弯曲变形为主，可以不考虑两个方向的地震作用的耦合影响。塔柱和其顶部及塔柱间的连接构件的刚度相差悬殊，强柱弱梁的特点十分突出，因此，顶部的连接构件对塔柱的动力特性和动力响应的影响不大。塔柱和其上部的机房基本可认为是主从结构，在地震时的动力耦合影响取决于机房和塔柱的质量比值λm 和基本频率比值λf，按照GB5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》，当其两者满足λm＜0.01或0.01≤λm≤0.1且λf≤0.8或λf≥1.25时，可不与主体结构作耦联分析。

2）抗震设计。与地震作用组合的各种静态作用，需考虑相应的分项系数，地震作用的分项系数取为1.0。钢筋混凝土结构构件，在采用动力法计算地震作用效应时，对地震作用效应进行折减，折减系数可取为0.35。

4.3.1.3 机房结构设计

塔柱顶部机房提供机械、机电设备安装、运行、检修场地及其门机或吊车运行的空间，并作为主电室、控制室、电梯机房和其他辅助用房。

顶部机房是顶部设备的维护结构，根据升船机机房的特点，本节主要对设计中需要着重考虑的方面进行介绍。

（1）机房型式。顶部机房主要有每侧塔柱顶一个机房、覆盖双侧塔柱的整体大跨度机房和三跨机房3 种，前两种均属单跨机房。钢丝绳卷扬提升式垂直升船机的机房型式，有每侧塔柱顶部一个机房和覆盖双侧塔柱的整体大跨度机房两种型式，如水口升船机为每侧塔柱顶一个机房的型式；隔河岩、高坝洲、岩滩等升船机为整体大跨度机房的型式。齿轮、齿条爬升式垂直升船机，驱动设备布置在船厢上，顶部机房设备相对简单，通常采用每侧塔柱顶一个机房的型式。机房的高度由吊运设备所需要的空间确定。

每侧塔柱顶一个机房的型式，由两个筑于两侧塔柱顶上的单层厂房组成，两边跨内各设一台桥式起重机，作为设备安装和检修起吊用，由于跨度不大，一般可采用通用桥机。

单跨大型单层厂房，可采用一台大跨度桥机或门式起重机。

三跨机房型式由两侧塔柱顶上的单层厂房和中间的两层结构组成。两边跨内各设一台桥机，作为设备安装和检修起吊用。中间跨布置一台桥机，用以从船厢室通过吊物孔吊物。由于三跨机房各跨跨度均不大，同样可采用通用桥机。

3种型式的机房都可采用钢结构、钢筋混凝土结构，以及钢筋混凝土与钢结构组合的混合式结构。近年来大型厂房的屋顶基本上都采用了网架和钢结构的型式，具有重量轻的优点，因此升船机顶部机房的屋顶建议采用这两种型式。与一般单层工业厂房相比，升船机塔柱顶部的机房具有如下特点：

1）机房处在塔柱筒体顶上，承受的风载远大于一般建于地面的单厂房，并与塔柱一起构成一振动体系，具有相当复杂的风振效应。

2）机房与塔柱相比，两者在刚度和质量方面有很大差异。在地震作用下，机房将产生很大的鞭梢效应，相当于高层建筑顶部的塔楼，因此需正确确定机房的地震效应。如机房采用嵌固于塔柱顶板的立柱结构型式，立柱与塔柱顶板之间的刚度突变，立柱根部将成为抗震的薄弱部位，可能出现较严重的震害。

3）受风载、日照或地震作用时，两侧塔柱顶部的水平位移和竖向位移各不相同，这就相当于机房的各个柱子竖立在“活动的地基”上，具有相对位移，增大了机房承重结构的设计难度，同时也影响到机房内部卷扬起吊设备的同步轴系统的正常使用。对三跨机房，还影响到桥式起重机的运行条件。

4）机房需在高空施工，施工难度相对较大。

在选择机房结构型式和布置方案时，除一般考虑工程造价外，更应着重考虑上述这些特点。

单跨和双侧机房在近些年来已建的升船机中运用较多，其设计思路基本相同，但单跨机房由于跨度大，技术难度相对较大；双侧机房由于跨度小，设计施工均较容易；三跨机房运用较少。

（2）单跨机房。单跨机房的屋盖，通常采用空间网架，其承重和围护结构可能有3 种方案：

1）钢筋混凝土立柱加圈梁方案。

2）钢立柱加钢支撑方案。

3）全网架方案，即厂房屋盖和所有承重与围护墙也由竖向布置的网架组成。

钢筋混凝土立柱加圈梁方案是我国单层工业厂房中常用的型式，也是升船机顶部机房常采用的型式。该方案整个机房所受荷载（风或地震）产生的内力均由立柱根部传至塔柱顶板，立柱根部截面受力极大。同时地震作用下机房的鞭梢效应也较大，三峡升船机机房曾对这种方案进行过研究，用人工波激振时，机房顶部的最大加速度为机房底部（塔柱顶）的1.87 倍，机房顶部的最大位移值达到机房总高度的1／100。因此，钢筋混凝土立柱的承载力设计及延性设计均有一定难度，甚至需设计成为钢管混凝土柱或劲性钢筋混凝土柱。

钢立柱加钢支撑方案（屋盖为网架结构）承载能力及整体刚度，均较钢筋混凝土立柱方案为优，质量也大为减轻，能显著减小机房的地震作用。钢结构柱的抗震性能远比钢筋混凝土柱优越，具有良好的变形能力。大量资料表明，在发生7～9 度地震时，一般钢柱及钢屋架厂房均未见有重大损伤，如位于10 度地区的唐山钢铁公司的钢结构厂房，震后的主体结构仍都完好。钢结构构件便于制作、运输与安装，与网架屋盖的连接也较方便，高空施工有其便利之处。我国一些大型厂房，如净高30.7m 的某电机厂装配车间，高40.0m 的某火电厂主厂房，均采用了钢结构式钢柱。

全网架方案由屋盖及四周墙体共5 片平面网架组成。全网架方案的空间整体性及空间刚度最好。在屋盖与墙体网架间做成刚接，墙体网架的底部无需在塔柱顶板上生根，可做成铰支座或具有一定程度位移能力的减震弹性支座，相当于一个盒子倒扣在塔柱顶板上，能大大减低整个机房的地震作用。采用全网架方案后，实际上已可不再计算机房与塔柱连接部位的抗震问题，是一个能基本上妥善解决厂房结构抗震问题的方案。

全网架方案的计算方法已基本成熟。拱形落地全网架结构的房屋，在国内外已有建造，在技术上不存在困难。而且根据计算，与钢立柱方案相比，其用钢量有相当大的减少。

高大建筑受到风暴袭击时，有可能使结构受到风力扭矩而产生扭曲破坏。美国得克萨斯州拉博克有一座生活楼，在一次大风暴袭击中结构发生了扭曲破坏，可见结构的整体抗扭刚度也必须引起注意。全网架方案在上述各个方案中的抗扭刚度是最佳的。

国内经历的多次震害表明，单层厂房的围护墙体是易出现震害的部位，其原因是墙体强度不足，墙体与屋盖、圈梁及立柱锚拉不牢固，墙体在地震时自成振动体系。因此，加强围护墙体的抗震性能是方案选择中应注意的重要问题。

升船机塔柱是整个水利枢纽中的高耸建筑，机房更位于其最高点，因此除考虑结构的安全性外，机房的建筑造型也必须重视。

（3）地震作用与抗震设计。GB5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》规定：“当分析机房自身的抗震特性和动力相应时，不作藕联分析，机房的抗震分析可取主体结构与其连接处的反应作为输入地震动。”对机房结构的动力分析，可根据塔柱顶的位移，反推出用于设计机房结构的地震标准反应谱；也可采用GB50191—93《构筑物抗震设计规范》的规定，突出在构筑物顶面的小型结构，采用底部剪力法计算时，其地震作用效应也可乘以增大系数3。

对机房结构，在结构单元的两个主轴方向分别计算水平地震作用，一个方向的水平地震作用，应全部由该方向的抗侧移构件承担。