戶內變電站GIS室均布活載標準值及復核方法研究

陳慶烈，甘偉昌，黃達余，黃 銳，田效軍

(1. 中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012；2. 國網浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

隨著我國城鎮化水平的日益提高，城市電網建設的要求也越來越高。由于節約城市用地、建筑美觀協調的優勢，城市戶內變電站在城市建設和發展中的應用越來越廣泛。目前，城市戶內變電站朝著集中集約建設聯合建筑、電氣設備緊湊制造、三維設計技術應用、全壽命周期建設綠色環保變電站方向發展[1-2]。氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas-insulated metal- enclose switchgear，GIS)具有占地小、安裝快、維護少、抗污穢、可靠性高和抗震性強等特點，近年來已經成為戶內變電站(以下簡稱“戶內變”)的首選設備[3-5]。

在戶內變結構設計中，GIS室設備荷載通常以活荷載的形式布置，DL/T 5457—2012《變電站建筑結構設計技術規程》[6](以下簡稱《規程》)規定，110～220 kV GIS組合電器樓面均布活荷載標準值不應小于10.0 kN/m2，且在計算墻、柱、主梁、基礎時采用活荷載折減系數0.7。馬福雷[7]等統計了國內主要廠家的220 kV GIS設備荷載，分最大單體設備和最大基礎集中聯合設備兩方面進行等效活荷載計算，建議設計活荷載標準值取10 kN/m2，但未提及活荷載折減系數。劉小云等[8]在現行技術規范基礎上，結合中化110 kV緊湊型配電裝置樓結構設計，研究了110 kV變電站氣體絕緣開關設備荷載等效簡化的計算方法。施圣東[9]結合具體工程，計算了一個變電站電氣設備室樓面均布等效活荷載。

針對《規程》建議的220 kV戶內變GIS室樓面均布活載標準值及有關系數，本文通過對多個工程實例的計算分析，驗證《規程》取值的合理性，探究一種用于施工圖設計階段設備資料齊全后復核GIS室樓面均布活載標準值的便捷有效方法。

1 工程實例分析

1.1 結構及荷載布置

220 kV半山變電站GIS室的結構布置如圖1所示。220 kV戶內變GIS室的布置方式和結構形式大體相同，即電氣間隔布置緊湊、框架結構為短邊單跨且跨度較大，選取與GIS室直接相關的框架結構構件進行結構分析。

圖1 半山變GIS室結構布置圖

初步設計階段，GIS室樓面均布活載標準值參考《規程》表4.3.1取10 kN/m2。設備資料齊全后，GIS室樓面設備活載以線荷載的方式按實布置，無設備區域的操作活載按均布活載2 kN/m2考慮，荷載布置如圖2所示。110 kV GIS室單間隔設備最大輪廓尺寸為7.7 m×1.0 m×3.0 m (長 × 寬 × 高，下同 )，每跨主梁可布置4～5個間隔；220 kV GIS室單間隔設備最大輪廓尺寸為6.0 m×2.1 m×3.5 m，每跨主梁可布置2～3個間隔。

圖2 半山變GIS室設備活載按實布置圖

1.2 計算結果及分析

借助PKPM軟件，計算分析110 kV GIS室鋼筋混凝土框架結構分別在設備活載均勻布置10 kN/m2和按實布置情況下的結構效應，得到框架主梁的跨中彎矩、梁端彎矩和梁端剪力(見表1)，以及柱子的軸力、柱底彎矩和柱頂彎矩(見表2)。其中，主梁編號詳見圖1中的①～⑥，柱子編號同相連主梁編號，比值為按實分布與均勻分布的效應比值，表中的效應值僅為活載作用結果。半山變110 kV GIS室結構效應比值如圖3所示。

表1 半山變110 kV GIS室主梁效應

表2 半山變110 kV GIS室柱子效應

圖3 半山變110 kV GIS室結構效應比值

由表1、表2和圖3可知，對于110 kV GIS室，在初步設計階段，設備均布活載取10 kN/m2在多數情況下能滿足要求，但仍然會出現不滿足設計要求的情況，偏于不安全。本文建議初步設計階段適當提高110 kV GIS室的樓面均布活載標準值。

因110 kV GIS室的主梁效應比值基本大于0.7，故《規程》表4.3.1規定計算墻、柱、主梁和基礎時所取的活載折減系數0.7不適用于110 kV GIS室，建議設計時不予采用。

2 樓面均布活載標準值研究

在初步設計階段，當欠缺設備資料時，應研究110 kV GIS室的樓面均布活載標準值如何取值。由表1、表2和圖3可知，主梁跨中彎矩比值相對較大，可以作為結構效應的代表值。為減少計算和統計工作量，以下研究的結構效應均以主梁跨中彎矩為準，樓面均布活載標準值均以主梁等效為準。

線彈性理論分析時，同一框架結構主梁效應M與樓面均布活載標準值q成正比。推導可知，設備活載按實分布時的主梁等效樓面均布荷載標準值qe計算式如下：

式中：M1為設備活載按實分布時的主梁跨中彎矩，kN·m；M2為設備活載參考《規程》表4.3.1取10 kN/m2均勻分布時的主梁跨中彎矩，kN·m。

利用式(1)能夠得到半山變110 kV GIS室的樓面均布荷載標準值，見表3所列。

表3 半山變110 kV GIS室樓面均布荷載標準值

利用前述方法，計算并統計多個變電站的110 kV GIS室樓面均布荷載標準值，結果見表4所列。

表4 不同變電站110 kV GIS室樓面均布荷載標準值 kN/m2

由表4可知，110 kV GIS室樓面均布荷載最大值為11.9 kN/m2，且出現多個主梁等效樓面均布荷載大于10 kN/m2的情況。因此，在初步設計階段，為保證工程量的準確性和結構的安全性，建議220 kV變電站110 kV GIS室的樓面均布活載標準值取12 kN/m2，同時，計算墻、柱、主梁和基礎時不對該樓面均布活載乘以折減系數。

同理，計算并統計多個變電站的220 kV GIS室樓面均布荷載標準值，結果見表5所列。

表5 不同變電站220 kV GIS室樓面均布荷載標準值 kN/m2

由表5可知，在初步設計階段，220 kV變電站220 kV GIS室的樓面均布活載標準值取10 kN/m2能夠滿足結構設計要求，且結果偏于保守。在24組數據中，僅1組數據(7.1)大于7.0，其余組數據均小于7.0，說明當220 kV GIS室的樓面均布活載標準值取10 kN/m2時，主梁活載折減系數0.7在220 kV GIS室中有很好的適用性。

3 結構復核方法研究

當施工圖階段設備資料齊全后，結構設計人員需復核初步設計階段所取的GIS室樓面均布活載標準值的安全性、經濟性及合理性。相比于設備活載按實分布重新建模計算的復雜驗算方法，本文提出了一種便捷有效的復核方法。

3.1 110 kV GIS室樓面均布活載復核

定義“受荷單元”為主梁圍成的樓板區域，以半山變110 kV GIS室為例，其尺寸及區域內荷載統計見表6所列。其中受荷單元編號見圖1中的編號(1)～(5)。

表6 半山變110 kV GIS室受荷單元尺寸及荷載統計

由GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[10]的第C.0.8條可知：當荷載分布比較均勻時，主梁上的等效均布活荷載可由全部荷載總和除以全部受荷面積求得。而220 kV變電站110 kV GIS室的設備布置大體上比較均勻，故主梁上的等效樓面均布活荷載近似值qa等于主梁受荷樓板范圍的總荷載除以全部受荷面積求得。以半山變為例，結合表6，主梁1的等效樓面均布活荷載近似值qa= 8.0 kN/m2，主梁2的等效樓面均布活荷載近似值qa= (8.0×6+4.9×7.5)/(6+7.5) = 6.29 kN/m2，其余類似推導獲得。統計不同變電站110 kV GIS室樓面均布荷載標準值qe和近似值qa，結果見表7和圖4。

圖4 110 kV GIS室qa與qe的擬合關系

表7 不同變電站110 kV GIS室qa與qe數據統計 kN/m2

由表7和圖4可知，110 kV GIS室樓面均布荷載標準值qe和近似值qa大致呈線性關系，其一元線性回歸方程如下：

其中，ε～ N(0, σ2)，相關系數 r = 0.954，說明兩者相關性極強；殘差平方和Qc= 9.201，隨機誤差ε的方差σ2= Qe/(n-2) = 0.418；置信水平為0.95的預測區間上限如圖4中的虛線所示。對該虛線進行一元線性回歸分析，可得如下回歸方程：

其相關系數r = 0.999 7，說明兩者相關性極強。可以認為方程(3)是110 kV GIS室樓面均布荷載標準值qe的預測方程或預測直線(如圖4實線所示)，且具有95%的安全保證率。

當 qa= 8.5 kN/m2時，qe= 12.0 kN/m2。其實際意義是：當初步設計取110 kV GIS室樓面均布活載標準值為12.0 kN/m2時，待設備資料齊全后利用前述復核方法所計算的樓面均布活荷載近似值qa若小于8.5 kN/m2，則該結構偏于安全，否則需按照設備活載按實分布的方法重新進行結構設計。

另外，該復核方法亦可用于判斷設備樓面均布活載標準值的經濟性和安全裕度。若樓面均布活荷載近似值qa遠小于8.5 kN/m2，說明結構設計的安全裕度較大，同時經濟性也較差，比如蒲州變，此時可以適當降低設備樓面均布活載標準值或對主梁采用活載折減系數。筆者認為，當初步設計階段取110 kV GIS樓面均布活載標準值qe為12.0 kN/m2，通過復核方法計算所得的樓面均布活荷載近似值qa在6.8～7.7之間較為合理，此時安全裕度在10%～20%之間，經濟性也較好。

3.2 220 kV GIS室樓面均布活載復核

同理，統計不同變電站220 kV GIS室樓面均布荷載標準值qe和近似值qa，結果如圖5所示。

圖5 220 kV GIS室qa與qe的擬合關系

由圖5可知，220 kV GIS室樓面均布荷載標準值qe和近似值qa大致呈線性關系，其一元線性回歸方程如下：

其中，ε～N(0, σ2)，其相關系數r = 0.748，說明兩者相關性較強；殘差平方和Qc= 6.040，隨機誤差ε的方差σ2= Qe/(n-2) = 0.275；置信水平為0.95的預測區間上限如圖5中的虛線所示。對該虛線進行一元線性回歸分析，得到如下回歸方程：

其相關系數r = 0.997，說明兩者相關性極強。可以認為方程(5)是220 kV GIS室樓面均布荷載標準值qe的預測方程或預測直線(如圖5實線所示)，且具有95%的安全保證率。

當 qa= 4.2 kN/m2時，qe= 7.0 kN/m2； 當qa= 7.6 kN/m2時，qe=10.0 kN/m2。其實際意義是：當初步設計階段取220 kV GIS室樓面均布活載標準值為10.0 kN/m2時，待設備資料齊全后利用前述復核方法所計算的樓面均布活荷載近似值qa≤4.2 kN/m2，則該結構偏于安全且裕度較大，建議計算墻、柱、主梁和基礎時對該樓面均布活載乘以折減系數0.7；若4.2 kN/m2＜qa≤7.6 kN/m2，建議不乘以活荷載折減系數；若qa＞7.6 kN/m2，建議按照設備活載按實分布的方法重新進行結構設計。

4 結論

本文通過工程實例的分析，發現了DL/T 5457—2012《變電站建筑結構設計技術規程》關于220 kV戶內變GIS室樓面均布活載標準值及有關系數的局限和不足，針對電氣間隔布置緊湊、框架結構為短邊單跨且跨度較大的GIS室布置形式，經總結多個工程實例的計算結果，得到了以下結論：

1)在初步設計階段，為保證工程量的準確性和結構的安全性，建議220 kV變電站110 kV GIS室的樓面均布活載標準值取12 kN/m2，同時，計算墻、柱、主梁和基礎時不對該樓面均布活載乘以折減系數；

2)在初步設計階段，220 kV變電站220 kV GIS室的樓面均布活載標準值按照《規程》取10 kN/m2能滿足結構設計要求，且結果偏向保守。同時，計算墻、柱、主梁和基礎時可對該樓面均布活載乘以折減系數0.7；

3)相比設備活載按實分布重新建模計算的復雜驗算方法，本文提出了一種便捷有效的復核方法，用于施工圖設計階段設備資料齊全后復核GIS室樓面均布活載標準值，確保戶內變GIS室結構設計的安全性和經濟性要求。