全戶內變電站生產綜合樓結構設計

付艷偉，邱昌勝，張愛民

(國核電力規劃設計研究院，北京 100094)

1 概況

隨著我國經濟的快速發展，人們對環境的要求越來越高，對于變電站的建筑外型等有了較高的要求，設計難度也遠較常規變電站高。某供電公司220kV變電站位于某市高新開發區內，基于和周圍環境協調的規劃要求，業主要求將變電站中變壓器、GIS等全部電氣設備以及水泵房等附屬設備均設在一個生產綜合樓內，因此布置遠較普通的變電站復雜，國內同類建筑也較為少見。其建筑效果圖見圖1：

圖1 建筑效果圖

圖2 典型平面布置圖

圖3 典型斷面圖

從上述平面和斷面可以看出結構布置復雜，有做半地下室結構、大空間結構、錯層、掛線獨立柱等非規則復雜結構。

對于復雜結構設計，簡單的手算復核已不可能，人們一般都依靠軟件分析計算，甚至直接用軟件出圖，目前常用的設計軟件都是填一套參數，就出一種結果，如果參數和結構模型設置不正確，分析的結果就有很大的差別，我們常用的PKPM系列軟件更是如此，因此計算模型和軟件參數的正確與否、計算結果的判斷和后處理是關系到工程設計的安全和質量的重要因素。本文就從上述幾個方面展開論述，希望能對類似結構設計有所幫助。

2 結構設計應用

2.1 半地下室結構設計

隨著變電容量的不斷增大，變電站進出電纜不僅數量在增加，而且電纜直徑也在變大，受電纜溝高度和寬度的限制，工人敷設電纜非常困難。因此，設置電纜溝已經遠遠無法解決問題，于是一般采用露出地面1.2～1.5 m的半地下室形式[1]，基礎采用帶護壁筏基的形式。這既能利用半地下室做電纜夾層，又能滿足電纜層通風和采光的要求，便于室內外電纜敷設和維護。

對于帶地下室的結構來說，地下室與回填土的作用應該是相互的。鑒于目前規范的反應譜理論是基于剛性地基假定的，因此帶地下室的建筑建模一般采用兩種方法：A、嵌固位移法，即約束地下室的水平位移，地下室水平位移為0，將地下室的所有節點的Dx、Dy位移約束住；B、彈簧剛度法，將地下室的側墻節點加彈簧支撐或彈性支撐連接，此時彈簧的剛度可取很大或按照側土的橫向基床反力系數取用。

對于半地下室來說，若按照全嵌固，即約束地下室的水平位移。由于采用筏板基礎，為保證荷載有效傳遞至基礎上的需要和地下室局部露出地面，而且露出部分無側土約束，因此必須采用整體計算的方式，可合理考慮地下室的剛度。

合理考慮地下室剛度比較簡單，可以真實地將地下室部分與上部構件一起建模，建立一個包括上部結構和地下室所有構件在內的綜合模型，很容易實現。但是確定水平彈簧剛度的具體取值，是一項非常困難的工作。回填土對地下室本身有約束作用，但是由于影響這種約束作用的因素很多，從目前的文獻資料[2]來看，很難確定約束作用的大小。目前在SATWE軟件中，沒有直接要求用戶輸入水平彈簧剛度的真實數值，而是間接地要求輸入“回填土對地下室約束作用的相對(彈簧)剛度比” [3]，其含義是回填土的約束剛度與地下室本身側移剛度的比值。若取相對剛度比為零，則表示不考慮回填土的約束剛度；若取相對剛度比為5.0或更大，則計算結果與嵌固各層地下室頂板水平位移效果一致。對于一般工程，取相對剛度比在2～4之間，比較合適。Satwe 軟件給出的地下室水平位移約束隱含值為3.0，就是根據上述分析經驗確定的。對于半地下室的生產綜合樓來說，這個約束值應該做一下調整，最好針對不同的方案布置情況，調整取值、對比結果，按最不利計算。

應當指出，SATWE軟件雖然可以計算側向土和水壓力對地下室外墻的作用，但是程序是將水平方向的不均勻荷載簡化為均布荷載，并采用簡化計算方法，因此它的計算結果存在一定的誤差。建議對于地下室外墻按照擋土墻進行驗算，復核配筋及側墻對基礎傳遞的荷載等。

2.2 結構的抗震設計

生產綜合樓的結構設有大空間和錯層，而且由于變壓器室之間必須設置防火墻，因此若考慮采用框排架結構，則防火墻的設置就較為困難，因此，本工程選用鋼筋混凝土框架結構。

現澆鋼筋混凝土樓板在整體結構中起協調豎向構件共同受力的作用，錯層結構由于樓板不連續，會引起構件內力分配及地震作用沿層分布的復雜化，易形成不利于結構抗震的短柱和矮墻。在工業建筑中，最好和工藝專業緊密配合，盡量少設置錯層，當錯層高度，不超過框架梁高時，應按照一層進行計算，錯層高度較高時，才設置標準層。

不規則結構在條件允許和可能的情況下，盡量采用受力合理、規則對稱的設計方案，避免采用嚴重不規則的設計方案，這是對結構不規則性控制的最有效手段。在結構計算不滿足規范要求、差別較大時，不應當簡單的調整計算參數或放大地震力，而應當首先修改結構方案。

下面重點談一下，這種結構的電算設置：

⑴ 結構方案調整：調整結構方案，減少結構平面布置的不規則性和構件剛度的不均勻性，避免過大偏心導致結構較大的扭轉效應，加強結構抗扭剛度是控制結構扭轉效應的重要途徑，應盡量加強結構周邊的剛度，設計中，由于變壓器室側框架剛度較小，故調整了變壓器側柱子截面布置，以增加抗扭剛度，計算結果表明結構的周期比和位移比均滿足規范要求，方案調整是成功的。

⑵ 振型數量：為保證抗震計算結果準確，必須選取足夠多的振型數量，使有效質量數大于0.9，對于不規則的建筑結構，特別是具有彈性樓板、樓板大開洞、錯層等結構，由于有質量貢獻的自由節點數大大增加，選擇的振型數也必須大大增加。

⑶ 分析方法：由于結構存在樓板不連續、開大洞錯層等，不符合剛性樓板假定時，應采用彈性樓板假定計算地震作用。

⑷ 錯層結構：錯層結構層高不一致，使有關樓層間的控制參數，如層間位移比、層間剛度比等計算失真，因此不能機械地直接采用這些數據，而應加以分析判斷和手工校核，確定其是否合理，并進行必要的變通和調整處理，另外需要注意的是Satwe軟件無自動搜索分析短柱的功能，需要設計人員自己采取特別的加強措施。

3 對電算設計的認識

通過本工程和其他的類似工程的設計，談一下我對電算程序的認識及如何判斷結構電算結果的合理性問題。

3.1 計算機分析結果的認識

《建筑抗震設計規范》[4]3.6.6條規定，“所有計算機計算結果，應經分析判斷確認其合理、有效后方可用于工程設計。”《混凝土結構設計規范》[5]5.1.6條規定：“對電算結果，應經判斷和校核；在確認其合理有效后，方可用于工程設計。”這些文獻的規定，說明人在設計中的重要性，計算分析是根據結構的力學模型進行的，采用簡化的荷載和模型，實際結構是有差異的，必須清醒地認識到，電算分析只有合理的模型和結果，沒有絕對正確的。

完成復雜結構設計任務，要清楚軟件的適用范圍，計算模型的假定和適用條件，對計算結果要進行判斷，合理有效后，才可用于工程設計。要提倡概念設計，強調人的主導作用，計算機僅為輔助設計手段，設計人員的地位和作用是不可替代的。

3.2 如何判斷電算結果的合理性

⑴ 對總體結構的分析判斷，主要考慮以下幾個方面。

①所選軟件是否適用，使用是否恰當，是否滿足軟件假定，結構模型是否正確，軟件參數設置是否合理。

②結構振型、周期、位移等參數是否滿足規范要求。

③結構地震作用沿結構高度的分布是否合理，參震質量及樓層地震剪力等是否滿足規范要求。

④對復雜結構應采取多模型分析，避免單一計算模型帶來的差錯。

⑤與已建成熟工程進行比較。

⑵ 對局部構件的分析判斷，主要考慮以下幾個方面。

①截面尺寸是否滿足設計要求，配筋是否超筋，是否滿足使用極限狀態和應力強度極限狀態的要求。

②受力復雜的構件，其內力和應力分布是否與力學概念、工程經驗一致，是否采取了有效的加強措施。

③構件的內力和配筋是否滿足規范抗震措施的要求。

4 結論

⑴ 帶半地下室的結構必須整體建模計算，且可適當考慮土的約束作用。SATWE軟件對這種承受平面外的力作用的地下室側壁分析，有一定的誤差，必須采用其他軟件進行驗算。

⑵ 錯層、大開間、樓板局部大開洞的復雜結構抗震設計，首先須合理的設置結構抗扭剛度，減少扭轉效應，并選取足夠的振型數量和其他合理的參數設置，并對結果進行合理有效性分析后，才可用于設計。

⑶ 電算是設計的重要部分，總結了我對電算的一些認識，強調人在設計中的重要性，電算僅是輔助設計。

[1]GB50011-2001 建筑抗震設計規范[S].

[2]GB50010-2002 混凝土結構設計規范[S].