交叉支撐對220kV全戶內(nèi)變電站鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響與設(shè)計研究

趙飛 楊力 張悅洋

1.中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司 安徽 合肥 230601；2.深圳供電規(guī)劃設(shè)計院有限公司 廣東 深圳 518066

引言

為避免結(jié)構(gòu)承載力和剛度突變，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）對各類建筑結(jié)構(gòu)的建筑形體及其構(gòu)件布置的規(guī)則性提出了一系列要求，220kV全戶內(nèi)變電站鋼框架結(jié)構(gòu)存在樓板局部不連續(xù)、凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則3項平面不規(guī)則類型，結(jié)構(gòu)在地震作用下存在明顯的抗震薄弱部位，抗震性能較差，本文圍繞交叉支撐對220kV全戶內(nèi)變電站鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，深入探討基于交叉支撐的220kV全戶內(nèi)變電站鋼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點。

1 影響分析

1.1 工程概況

本文以合肥鼓山220kV變電站作為研究對象，該變電站為220kV全戶內(nèi)變電站，主變壓器、GIS設(shè)備等所有配電裝置均位于一棟配電裝置樓內(nèi)。配電裝置樓整體軸線尺寸為69×40m，地下1層、地上2層。地下1層為電纜間，層高為4.10m，建筑面積為2859m2；地上1層布置有二次設(shè)備室、資料室、機(jī)動用房、安全工具間、蓄電池室、35kV配電裝置室、GIS室、散熱器室、主變壓器室等，層高為5.4m/11.80m，建筑面積為2607m2；地上二層為電容器室，層高為6.40m，建筑面積為867m2。

1.2 模型分析

基于上述案例，為明確交叉支撐對抗震性能的影響，需針對性建立純框架模型和“框架+支撐”模型。案例配電裝置樓為典型的鋼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在縱、橫兩個方向均為剛接框架，剛接框架負(fù)責(zé)提供空間剛度和承載能力。鋼柱采用箱型截面，鋼梁采用H型截面，梁柱鋼材均采用Q355B，樓板及屋面板采用鋼筋桁架樓承板。案例配電裝置樓以“發(fā)泡混凝土復(fù)合輕質(zhì)墻板+纖維水泥板”為外墻板，130mm厚的鋼筋桁架樓承板為屋面和樓面，具體規(guī)格為HB2-100，基于具體設(shè)計參數(shù)，建立配電裝置樓純框架模型[1]。

基于配電裝置樓純框架模型，加入交叉支撐，即可得到“框架+支撐”模型，這一過程需同時優(yōu)化梁柱截面，圖1為優(yōu)化后的配電裝置樓支撐布置及結(jié)構(gòu)。

圖1 優(yōu)化后的配電裝置樓支撐布置及結(jié)構(gòu)

結(jié)合圖1進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，具體在A軸、B軸、D軸的5～6軸及9～10軸設(shè)置交叉支撐，考慮到交叉支撐的側(cè)向剛度提供作用，因此原采用箱型鋼柱的A軸、C軸和D軸需要變更設(shè)計為H型鋼柱，具體在寬度方向布置鋼柱強(qiáng)軸，在長度方向布置鋼柱弱軸，H500×450×18×22、H500×500×18×25、H550×450×18×22截面分別取代原有的箱型450×500×16×16m、500×500×20×20、450×550×18×18截面。設(shè)置交叉支撐后，還需要通過鉸接連接取代長度方向A軸、C軸和D軸的梁柱剛性連接，寬度方向不變。鉸接的梁柱連接可進(jìn)一步優(yōu)化鋼梁截面，具體通過H400×200×8×12、H500×250×10×16，分別取代原有的H500×250×10×16、H550×250×10×16，最終可得到“框架+支撐”模型[2]。

1.3 抗震性能影響

為明確交叉支撐加入后的配電裝置樓抗震性能變化，需圍繞扭轉(zhuǎn)位移比、豎向構(gòu)件地震剪力、變形指標(biāo)、鋼柱應(yīng)力比共四方面進(jìn)行分析。

通過對比扭轉(zhuǎn)位移比可以發(fā)現(xiàn)，純框架模型X方向、Y方向的最大層間位移比分別為1.37、1.23，“框架+支撐”模型則分別為1.09、1.18，結(jié)合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范 應(yīng)用與分析》可以確定，“框架+支撐”模型X方向與Y方向扭轉(zhuǎn)均規(guī)則，純框架模型扭轉(zhuǎn)均不規(guī)則，這說明“框架+支撐”模型具備更優(yōu)秀的抗震性能。

對比豎向構(gòu)件地震剪力可以發(fā)現(xiàn)，純框架模型1層、2層X方向總剪力分別為1590kN、1181kN，Y向分別為1592kN、1189kN，支撐剪力均為0。“框架+支撐”模型的1層、2層X方向框架柱剪力分別為275kN、85kN，支撐剪力分別為2057kN、1649kN，總剪力分別為2332kN、1734kN，Y方向框架柱剪力分別為1645kN、1231kN，總剪力分別1645kN、1231kN，支撐剪力均為0。結(jié)合數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以確定，“框架+支撐”模型能夠顯著提升地震剪力，這源于結(jié)構(gòu)剛度增加帶來的地震周期減小，支撐承擔(dān)了主要的地震剪力，在地震力消耗、結(jié)構(gòu)安全保障、抗震性能提升方面表現(xiàn)突出。

對比變形指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，純框架模型1層、2層X方向最大位移分別為3.35mm、7.37mm，最大層間位移角分別為1/1635、1/1400，Y方向最大位移分別為3.37mm、7.01mm，最大層間位移角分別為1/1628、1/1378。“框架+支撐”模型1層、2層X方向最大位移分別為1.58mm、3.42m，最大層間位移角分別為1/3480、1/3079，Y方向最大位移分別為3.26mm、6.88mm，最大層間位移角分別為1/1686、1/1421。結(jié)合數(shù)據(jù)對比可以確定，“框架+支撐”模型結(jié)構(gòu)在地震作用下存在明顯較小的最大層間位移角和最大位移，可見該結(jié)構(gòu)在地震作用變形控制中表現(xiàn)突出。

對比B軸交9軸鋼柱應(yīng)力比可以確定，純框架模型、“框架+支撐”模型的鋼柱應(yīng)力比分別為0.65、0.64，這說明基于H型截面的鋼柱箱型截優(yōu)化存在較高合理性，不會影響配電裝置樓的抗震性能。

2 設(shè)計要點

2.1 結(jié)構(gòu)原始設(shè)計

在案例配電裝置樓的設(shè)計中，該建筑由鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)共同組成，地上部分為剛接框架體系，縱、橫方向結(jié)構(gòu)均屬于典型的剛接框架，剛接框架負(fù)責(zé)提供空間剛度及承載能力，地下部分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計中鋼梁、鋼柱分別為H型截面、箱型截面，鋼筋桁架樓承板在設(shè)計中作為屋面板和樓板。考慮到凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)存在于鋼框架結(jié)構(gòu)中，顯著的抗震薄弱部位存在于結(jié)構(gòu)原始設(shè)計中，這使得案例配電裝置樓的抗震性能較差。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

案例配電裝置樓結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度7度，上人、不上人屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.5kN/m2、7.0kN/m2，35kV配電裝置室、樓梯、GIS室、二次設(shè)備室、電容器室的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為7.0kN/m2、4.0kN/m2、10.0kN/m2、4.0kN/m2、9.0kN/m2。基于上述設(shè)計參數(shù)，案例配電裝置樓選擇十字交叉支撐作為多層框架結(jié)構(gòu)支撐，支撐截面可使用十字雙角鋼、槽鋼、H型鋼、背靠背雙角鋼、鋼管等，但需要保證截面板件寬厚比及支撐桿件長細(xì)比滿足國家規(guī)范要求。

配電裝置樓設(shè)置有二次設(shè)備室、機(jī)動用房、蓄電池室、GIS室、主變壓器室、散熱器室、35kV配電裝置室、安全工具間、資料室、電容器室等房間，支撐布置需要考慮功能房間的正常使用不受影響。

經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，穿墻套管存在于35kV配電裝置室與主變壓器室間，因此支撐無法設(shè)置，不存在穿墻套管等構(gòu)件的35kV配電裝置室與散熱器室間可設(shè)置支撐，通過在內(nèi)墻系統(tǒng)設(shè)置支撐，房間功能使用受到的影響能夠降到最低，房間觀感也不會受到影響。配電裝置樓具體在#2、#3散熱器室的對應(yīng)位置設(shè)置支撐，每層設(shè)置交叉支撐6道，高度同層高，寬度同散熱器室寬度，支撐桿件長度較長，考慮到截面板件寬厚比及桿件長細(xì)比控制要求，選擇Q235B材質(zhì)的鋼材，同時以HW300×300作為支撐截面。

考慮到交叉支撐的側(cè)向剛度提供作用，案例配電裝置樓的鋼柱及鋼梁截面可以進(jìn)行優(yōu)化。將原箱型鋼柱變更設(shè)計為H型鋼柱，在寬度方向布置鋼柱強(qiáng)軸，在長度方向布置鋼柱弱軸布置，支撐所在縱向框架梁柱連接由剛接改為鉸接。

2.3 優(yōu)化設(shè)計要點

結(jié)合上文開展的純框架模型與“框架+支撐”模型抗震性能對比，可明確以下幾方面220kV全戶內(nèi)變電站鋼框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計優(yōu)化要點：第一，科學(xué)設(shè)置交叉支撐，配電裝置樓鋼框架結(jié)構(gòu)可通過這種優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)位移比改善，結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性減少及抗震性能提高；第二，加設(shè)交叉支撐后，配電裝置樓鋼框架結(jié)構(gòu)的地震總剪力88%～95%由交叉支撐承受，支撐承擔(dān)地震剪力使其成為第一道地震力消耗防線，地震力實現(xiàn)有效消耗，第二道地震力消耗防線為鋼框架，地震作用下結(jié)構(gòu)的安全性更好得到保障；第三，交叉支撐的加設(shè)可保證配電裝置樓鋼框架結(jié)構(gòu)顯著降低地震帶來的變形，結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的一系列不利影響自然能夠有效規(guī)避；第四，交叉支撐加設(shè)后可同時減少配電裝置樓鋼框架結(jié)構(gòu)用鋼量，因此該優(yōu)化設(shè)計在經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢較為顯著，在行業(yè)內(nèi)部具備較高推廣價值[3]。

3 結(jié)束語

綜上所述，交叉支撐能夠提升鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的模型分析、抗震性能影響、結(jié)構(gòu)原始設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計要點等內(nèi)容，則直觀展示了交叉支撐的應(yīng)用價值及方法。為更好提升配電裝置樓的抗震性能，智能化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用、罕遇地震下的彈塑性分析等方面同樣需要得到重視。