變電站鋼框架建筑物的設計及應用

李天浩，張秉燦，翟相鵬，張曉陽，張戊晨

（1.國網河北省電力有限公司經濟技術研究院，河北 石家莊 050021；2.中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000；3.國網河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050071；4.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

隨著我國經濟技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架建筑雖然有造價低、易取材、耐久性、耐火性好的優(yōu)點，但是其施工現(xiàn)場粉塵噪聲污染嚴重、施工周期長、施工材料可回收利用率低等劣勢逐漸成為阻礙其發(fā)展的主要因素。而以環(huán)境污染小、建設效率高、施工質量好、施工材料可回收利用率高、抗震性能優(yōu)越[1]為特點的裝配式鋼框架結構作為一種新興起的建筑結構形式越來越成為現(xiàn)代化建筑的主要結構形式，尤其是在變電站的建筑物建設中，發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 裝配式鋼框架結構建筑物的設計理論

1.1 安全等級和可靠度

鋼框架結構設計采用以概率理論為基礎、以分項系數(shù)表達極限狀態(tài)的設計方法[2]。建筑結構安全等級的劃分應符合表1的規(guī)定。

表1 單點高程中誤差分布

表1 建筑結構的安全等級

結構構件持久設計狀況承載能力極限狀態(tài)設計的可靠指標，不應小于表2的規(guī)定。

表2 結構構件的可靠指標β

1.2 極限狀態(tài)設計理論

當采用結構的作用效應和結構的抗力作為綜合基本變量時，結構按極限狀態(tài)設計應符合下列規(guī)定

式中:R為結構抗力；S為結構的作用效應。

1.3 分項系數(shù)設計方法

1.3.1 承載能力極限狀態(tài)

結構或結構構件的破壞或過度變形的承載能力極限狀態(tài)設計，應符合下式規(guī)定

式中:γ0為結構重要性系數(shù)，見表3；Sd為作用組合的效應設計值；Rd為結構或結構構件的抗力設計值。

表3 結構重要性系數(shù)γ0

1.3.2 正常使用極限狀態(tài)

結構或結構構件按正常使用極限狀態(tài)設計[2]時，應符合下式規(guī)定

式中:Sd為作用組合的效應設計值；C為設計對變形、裂縫等規(guī)定的相應限值，按有關結構設計規(guī)定取值。

2 裝配式鋼框架結構建筑物的設計方法

2.1 實際變電站工程構件尺寸的設計方法

實際變電站工程中鋼框架結構構件的截面尺寸，要經過以下步驟。

2.1.1 預估變電站框架鋼柱的截面尺寸

（1）根據(jù)電氣一次、二次、通信等相關專業(yè)提供的資料、技術規(guī)程規(guī)范、輸變電工程通用設計[3]以及施工工藝的要求確定結構層高、層數(shù)、跨度、柱距，根據(jù)結構高度，設防烈度確定結構的抗震等級、鋼柱的長細比[4]及鋼材牌號[5]；

（2）根據(jù)上一步預估的層高、層數(shù)、跨度、柱距，估計鋼柱的截面高度以及軸心受壓鋼柱的穩(wěn)定系數(shù)Ψ[5]；

（3）根據(jù)變電站設計規(guī)范[6]以及荷載規(guī)范[7]，確定結構的荷載標準值以及荷載分項系數(shù)；

（4）根據(jù)以上預估的結構空間、平面布局、鋼柱的荷載從屬面積以及荷載標準值、荷載分項系數(shù)，確定每根鋼柱的軸向壓力設計值[4]；

（5）根據(jù)以上預估的鋼材牌號以及軸向壓力設計值利用公式（4）來確定鋼柱的截面面積；

式中:N為鋼柱的軸向壓力設計值；Ψ為鋼柱軸心受壓的穩(wěn)定系數(shù)；f為鋼材抗壓強度設計值；A為鋼柱的截面面積。

（6）根據(jù)以上計算出來的鋼柱截面面積，確定鋼柱的截面尺寸。鋼柱截面尺寸還應符合相關規(guī)程規(guī)范[4]規(guī)定的要求。

2.1.2 預估框架鋼梁的截面尺寸

（1）鋼梁的高度一般取跨度的1/50～1/20，即h＝（1/50～1/20）l，其中，h為鋼梁的高度；l為鋼梁的跨度。

（2）鋼梁的寬度一般取高度的1/1.5～1/3，b＝（1/1.5～1/3）h，其中，h為鋼梁的高度；b為鋼梁的寬度。

鋼梁腹板、翼緣的厚度還應符合相關規(guī)程規(guī)范規(guī)定的要求。

2.1.3 預估框架樓板的截面尺寸

（1）根據(jù)規(guī)范要求[8]（根據(jù)樓板長邊尺寸與短邊尺寸的比值）確定樓板為單、雙向板。

（2）單向板的厚度可根據(jù)經驗取樓板短邊尺寸的1/35[9]。

（3）雙向板的厚度可根據(jù)經驗取樓板短邊尺寸的1/40。

除了滿足上述要求外，樓板的厚度還應符合相關的規(guī)程規(guī)范的要求。

2.2 建立軟件模型

建立軟件模型中的構件定義步驟中，需要將上述步驟中預估好的鋼框架結構梁、柱的截面尺寸輸入PKPM 軟件模型中，與此同時，加上荷載規(guī)范[7]中相應的荷載數(shù)值，接著定義樓層并進行樓層組裝，最后進行結構計算分析。

由于變電站鋼框架結構一般層數(shù)較少且結構相對規(guī)則，所以一般采取SAT WE 進行結構計算分析。SAT WE 不僅計算精度高，還提供了多種構件的簡化模型，與此同時，還能進行不同荷載下的荷載效應組合和內力分析，最后進行基礎設計。

下面將軟件中結構計算分析可能得到的超限類型以及相應的調整方法以列表的形式匯總展示，具體如表4所示。

表4 超限類型及調整方法

3 實際工程應用及經濟效益情況

3.1 應用效果

在河北省南部電網的實際變電站工程設計應用中，本文論述的設計方法具有以下特點。

（1）針對性強。針對變電站鋼框架結構的每一個結構構件，本文給出尺寸確定方法，能夠使設計人員對每一種結構構件快速確定尺寸，最大限度地避免了因為缺乏確定結構構件尺寸的針對性帶來的困擾。

（2）實操性強。本文論述的設計方法詳細闡述了結構構件尺寸確定、建立模型、調整模型直至輸出施工圖的每個環(huán)節(jié)，具有很強的實操性以及工程指導意義，能夠指導設計人員進行設計流程操作。

（3）節(jié)約工程設計時間成本。論述的設計方法能夠使設計人員快速地進行實際工程的結構設計，避免了因為查閱資料、盲目問詢帶來的時間上的浪費。以河北省南部電網新建的各電壓等級變電站建筑物設計情況為統(tǒng)計標本，應用本文論述的設計方法，平均每個工程的設計時間節(jié)約15%～20%。

3.2 經濟效益分析

結合河北省南部電網一些常規(guī)變電站的通用做法，以單層配電樓建筑物為例，參考現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構，下面從施工工期、施工整潔度、單平造價、材料回收利用率這幾個指標以列表的形式對比2種建筑物形式的經濟效益，具體如表5所示。

表5 2種建筑物形式的經濟效益

通過表5得知:雖然裝配式鋼框架結構的單平造價指標要高于鋼筋混凝土框架結構，但是采用裝配式鋼框架的結構在施工工期、施工整潔度、材料回收利用率這幾個指標要優(yōu)于現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構。此外，裝配式鋼框架結構的立面效果好于鋼筋混凝土框架結構，有利于變電站工程的創(chuàng)優(yōu)。

表5只選取了變電站中的配電樓建筑物模塊進行對比分析，在宏觀經濟層面的經濟效益分析中，可對整個變電站甚至整個輸變電工程的總投資收益率、財務內部收益率、資本金凈利潤率、財務凈現(xiàn)值、投資回收期[10-12]等宏觀經濟指標進行對比分析，做到對整個輸變電工程整體投資情況以及經濟效益的精準把控。

4 結論

本文討論的裝配式鋼框架結構的設計理論方法具有很強的針對性、實操性、工程指導價值，且節(jié)約了工程設計時間成本。并且與現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構相比，具有很好的工程經濟效益。雖然現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構與裝配式鋼框架結構在各自的發(fā)展過程中，對國民經濟都起著至關重要的作用。然而隨著國民經濟的提高、建筑技術的發(fā)展以及建筑行業(yè)經驗的積累，在降噪減排、節(jié)能環(huán)保、文明施工、模塊化建設、經濟效益等方面對建筑結構提出了更高的要求。因此，裝配式鋼框架結構的優(yōu)勢逐漸凸顯，在變電站的某些建筑物建設中逐步地取代了現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構，越來越成為變電站建筑物的主要建筑結構形式，符合時代、社會的發(fā)展要求。