安徽省110kV變電站門式框架結構技術設計研究

劉士李， 趙迎迎， 陳付雷， 方天睿， 韋海峰

(1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院,安徽 合肥 230071;2.安徽華電工程咨詢設計有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引 言

近年來，國家電網公司提倡的基于資源節約和環境友好理念的工業化變電站建設，旨在提高變電站建設的工業化水平，推動新技術、新材料和新工藝融入變電站建設中來。為此，電力行業設計院、高校科研院所等科研單位積極參與到變電站設計研究中[1-3]。裝配式建筑在變電站建設中的應用取得了突飛猛進的發展。

關于裝配式建筑在變電站建設中的應用，安徽省嚴格遵照國家電網公司的總體理念，進行標準化設計、工廠化加工以及模塊化建設，側重提高建設質量和效率[4-6]。以技術可行性為出發點，裝配式建筑在變電站中主要應用于建筑物主體結構、建筑物維護墻體、構筑物(圍墻、防火墻、電纜管、化肥池、事故油池、支架基礎等)[7,8]。

目前安徽省裝配式變電站現狀為采用鋼桁架樓板的現澆屋面結構，建筑物外墻采用纖維水泥板夾發泡混凝土復合輕質墻板，內側采用免漆板裝飾，建筑物內墻采用纖維水泥板夾發泡混凝土復合輕質墻板，兩側采用免漆板裝飾，圍墻采用采用纖維水泥板夾發泡混凝土復合墻體圍墻。房屋主體結構的形式有鋼框架、門式框架、薄壁輕鋼結構體系等，為探索經濟和技術最優化的裝配式變電站結構形式，本文主要通過對門式剛架結構的變電站變電站房屋主體進行了結構形式、設計荷載和結構計算的研究，分析了該類型變電站結構的優缺點。

1 結構形式

變電站建筑物主體結構的結構形式主要包括現場澆筑混凝土結構變電站、預制裝配式混凝土框架結構變電站、鋼結構變電站三種結構形式。現澆混凝土結構不符合裝配式建筑的設計理念，因此只有預制裝配式混凝土結構和鋼結構可以作為裝配式變電站結構的備選型式。預制裝配式混凝土結構在施工過程中涉及到濕作業、建設周期長于鋼結構等不足,無法滿足國家電網公司相關要求。本文所研究的門式剛架結構的輕型房屋，剛架可采用等截面或者變截面實腹結構，屋面采用輕型屋面，外墻為輕型外墻，房屋為單層。門式剛架結構的示意圖如圖1所示。

圖1 門式剛架輕型房屋

門式剛架結構的輕型房屋，主要受力結構為框架主體。框架主體由鋼結構相關廠家以組裝部件的形式在工廠完成部件生產，部件運輸到施工現場后以吊裝方式通過螺栓連接完成組裝。框架主體的示意圖如圖2所示。

圖2 門式剛架

門式剛架通過螺栓連接實現現場組裝，施工過程不涉及動火作業和濕作業。各剛架構件之間通過節點進行連接，主要的連接節點有柱腳節點、梁柱節點、梁梁拼裝節點。其中，柱腳節點的連接形式如圖3所示，包括鉸接節點和剛接節點兩大類。選擇何種柱腳連接形式主要取決于結構整體荷載情況與抗震作用、風荷載等因素。通常，柱腳連接節點的連接形式是柱底板件與下部結構的預埋地腳螺栓相連接，下部基礎通常為現澆基礎。基礎尺寸和基礎埋深需要根據設計規范進行計算，其設計值與多種因素有關，包括上部結構的荷載、柱腳節點的連接方式、場地條件、地下水條件等。

圖3 柱腳節點

2 荷載與結構計算

本次研究的對象為安徽省內變電站建筑物的主體結構，故依據安徽地區的具體情況進行荷載分析。根據《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB 51022-2015)中第4.2條及4.3條相關規定進行計算分析。門式剛架由于整體剛度偏低，因此風荷載、雪荷載等對其結構受力的影響較為顯著，在計算時不可忽略。風荷載和雪荷載的設計頻率為百年一遇。依據現有的國家標準，本次計算考慮的結構荷載包括恒載、活荷載、風荷載、雪荷載、溫度荷載以及地震效應。恒載主要包括建筑自重，活載主要由建筑的使用控制。雪荷載、溫度荷載、地震作用、風荷載等的取值參照相關國家標準執行[9,10]。安徽地區雪載、風載、地震作用、溫度作用統計情況見表1。

表1 安徽地區荷載基本情況

安徽地區最大基本風壓出現在亳州市,為0.55 kN/m2；最大基本雪壓出現在霍山縣，為0.75 kN/m2；最大抗震設防烈度出現在蚌埠市，為7度0.15g。

依據110-A1-2方案典設建筑布局建模。屋面設置女兒墻，結構高度、門窗位置均與典設一致。為了實現建筑立面美觀，方便開窗和預留穿墻套管，結構設計未布置柱間支撐，而是將門剛結構柱腳采用剛接形式，該設計符合《建筑抗震設計規范》中第9.2.2條的規定和《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB 51022-2015)中第6.13條的規定。為滿足結構縱向受力，門剛結構體系在柱腳剛接的同時加強柱頂系桿。鋼柱為H形型鋼，截面尺寸為200 mm×300 mm；鋼梁為H形型鋼，截面尺寸為200 mm×400 mm。采用軟件建立的有限元計算模型如圖4所示。

圖4 門式剛架結構有限元計算模型

依據合肥地區荷載情況輸入荷載并計算，計算結果如圖5～圖7所示。

圖5 鋼結構應力比圖(單位：mm2)

圖6 彎矩包絡圖(單位：kN·m)

圖7 恒載+活載位移圖(單位：mm)

由以上計算結果可知，門剛結構由于屋面荷載輕、結構自重小，結構整體荷載水平相對較小，結構內力也相應較小，但是由于結構整體剛度較小，結構變形相對較大。

3 主要結論

(1)門剛框架結構構件截面尺寸比鋼框架結構構件截面尺寸小，結構用鋼量小。門式框架結構的柱腳截面對于鋼框架結構構件截面小，可以減少基礎短柱的截面尺寸，從而減少基礎工程量。門剛結構柱腳節點、梁柱節點、鋼梁拼接節點構造簡單，施工安裝速度快。

(2)門剛結構對雪荷載、風荷載敏感，當發生暴雪或者大風、龍卷風等極端天氣時，結構的安全可靠性差。門式剛架結構本質為二維結構，結構整體性差，易產生局部破壞(單品剛架的破壞)而引起結構的整體破壞。門式剛架結構的剛度小，所以結構的變形、位移較大，對于變形要求嚴格的工業建筑適用性差。

(3)本文的研究結論可為裝配式變電站的選型提供技術依據。