10kV土建變電站結構設計與分析

王文昌， 孫科章

（天津市城市規劃設計研究總院有限公司，天津 300190）

0 引言

隨著電力行業的高質量發展，電力資源的分配中對土建設計提出了更嚴格的要求。小區內變電站（或變電室）主要用途是將高壓系統的市政電纜經電壓器變換之后輸送到低壓系統的用戶。變電站類型主要包括成品的箱式變電站和土建變電站。變電站室內一般設有變壓器、高（低）壓開關柜、敷設管線的電纜橋架等電力相關設施，如何保證設計安全可靠且滿足電力相關技術標準規定是該類項目的關鍵所在。

近年來，結合項目建設需求，各類工程實例項目已做出了示范。朱怡等[1]采用土層時程分析方法對框架剪力墻結構形式的地下變電站進行抗震計算，針對樓板開洞問題提出了滿足電氣設備布置要求的處理措施。盧家森等[2]采用預制混凝土框架結構，實現了滿足快速標準化建造的變電站建設要求，上部結構的預制率達到了76%。除上述混凝土結構形式外，對于高壓變電站常采用的高承載力且便于安裝的鋼構架結構[3，4]。

文中結合兩個實際的10kV變電站工程，著重介紹設電纜溝和設地下夾層兩類變電站的在主體結構和配合深化階段的設計要點，包括結構布置、荷載預留、抗震加強措施以及細部構造，旨在為同類型的工程項目設計方法提供經驗參考。

1 工程概況

土建變電站結構由于其功能特殊性，需要有專業資質的電力設計單位進行深化設計，以便滿足管線排布和電力設備的布置，結構整體設計流程如圖1所示。

圖1 變電站項目設計流程

項目A為設地下夾層類，該工程位于河北省雄安新區某地塊住宅區，建筑面積237m2，地上1層，正負零地面和地庫頂板之間設一地下夾層，剖面關系示意如圖2所示。設置地下夾層能夠方便管線排布，有利于后期檢修，也便于排水。建筑物總長19m，總寬12m，最大柱網尺寸8.1m×8.1m，層高4.6m，主體結構為現澆的鋼筋混凝土框架結構。功能使用要求：放置設備層板底凈高不小于4m，梁底凈高不小于3.5m，地下電纜夾層板底凈高不小于1.9m，梁底凈高不小于1.5m。結構設計主要參數如下：建筑設計使用年限50年，建筑結構安全等級為二級；抗震設防類別丙類，抗震設防烈度執行《河北雄安新區規劃綱要》文件要求的抗震防災標準，采用8度（0.20g），設計地震分組第二組；場地類別為Ⅲ類，地面粗糙度B類，基本雪壓0.35kN/m2，基本風壓0.40kN/m2。

圖2 項目A剖面關系（單位：mm）

項目B為設電纜溝類，項目位于天津市東麗區某住宅小區。建筑面積228m2，建筑物為單層框架結構，總長20m，總寬11.3m，層高5.1m，柱網尺寸6.5m×10.8m，正負零以下在設計深化階段根據電力部門提資增設電纜溝，剖面關系如圖3所示。結構設計主要參數包括：建筑設計使用年限50年，建筑結構安全等級為二級，抗震設防類別丙類，抗震設防烈度為8度（0.20g），設計地震分組第二組，場地類別為Ⅲ類，地面粗糙度B類，基本雪壓0.4kN/m2，基本風壓0.5kN/m2。

圖3 項目B剖面關系（單位：mm）

2 主體結構設計

2.1 項目A

由于屋面板長期暴露在室外環境下，考慮溫度應力及防水等不利因素影響，同時為增強結構頂部約束以提高抗震能力[5]，最小板厚取120mm。主體結構根據建筑要求室內板底凈高要求不小于4m、梁下凈高不小于3.5m，在結構平面布置時，主梁截面尺寸需結合建筑層高和室內凈高要求。項目A嵌固于結構正負零處，框架柱截面500mm×500mm，主梁截面300mm×700mm、400mm×700mm、400mm×800mm，正負零處結構板厚180mm，屋面板厚120mm。地下室外墻墻厚250mm，根據雄安新區要求，地下室外墻抗滲等級為P8級。結構模型采用盈建科建筑結構設計軟件（YJK2.0.3）進行建模計算，對于梁柱屬于桿系構件，采用梁單元模擬，鋼筋混凝土墻體采用墻單元模擬，賦予各類單元與真實結構相同的截面，并按照實際樓層標高組裝，結構整體計算模型如圖4所示。再結合工程概況定義結構計算參數然后進行計算。

圖4 項目A整體計算模型

項目A完全位于地下車庫上方，且室內長期存在重量較大的變壓器和電源線柜，柱位下落盡可能保證和地庫平面柱位一致，避免出現轉換。零層板處活荷載可能存在兩種實際狀態：工況1考慮各種設備在運輸到室內后可能存在隨機位置堆載，然后再逐一安裝到實際位置；工況2考慮各個設備最終的固定安裝位置。因此，零層板最終配筋的活荷載按考慮這兩種情況：工況1為全區域面荷載10kN/m2，工況2為設備布置處按其重量和結構布置計算得到實際線荷載，其他區域面荷載按2kN/m2考慮。主體結構設計階段按情況主體結構設計階段按工況1計算，待電力提資設備平面布置后，再按情況再按工況2調整結構布置并復核配筋。正負零標高處結構在實際設備布置下（工況2）的變形如圖5所示，經復核梁板撓度及裂縫均滿足規范要求。此外，對于類似的項目，如果存在其他過重的設備情況，取統一面荷載往往不夠經濟，而且，實際安裝到位還需要相應的運輸設備，此時可以補充設備運輸路線，按實際荷載進行設計。

圖5 實際設備布置下結構變形（單位：mm）

結構整體指標計算中采用強制樓板剛性假定，考慮雙向地震作用。主要結構計算指標見表1，結果均滿足規范要求。

表1 項目A結構整體指標計算結果

2.2 項目B

主體結構構件截面選取原則同項目A，盡管項目體量小，框架柱需要截面滿足《抗規》[6]最小截面要求。項目B計算模型嵌固于基礎，結構柱計算高度應從基礎算至屋面高度處。框架柱截面500mm×600mm，主梁截面350mm×850mm，屋面板厚120mm。結構計算模型平面布置如圖6所示?；A采用柱下獨立基礎。由于項目B為長條形建筑平面，建筑柱網選取導致結構成為單榀框架結構，設計時提高其抗震構造措施，考慮適當放大框架梁柱配筋進行加強。計算軟件及計算假定與項目A相同，主要結構計算指標見表2，均滿足規范要求。

圖6 項目B結構計算模型

表2 項目B結構整體指標計算結果

3 結構配合及深化

在電力部門提資之后，需進一步配合深化圖紙。由于項目A主體結構完全位于地庫上方，各種電纜管線通過地下夾層外墻上設置的止水鋼板留孔處進入地下夾層，然后在零層板開設洞口后才能連接電柜或變壓器，洞口附近設置了各種設備基礎相關埋件，如圖7所示。由于洞口上有較重的設備，結構布置成主次梁體系，洞口周圈設封邊梁使傳力路徑清晰明確，同時也方便埋件錨筋有足夠錨固長度。對于進入地下夾層的檢修人孔，平面尺寸小于800mm時，在洞口邊增設了加強筋。

圖7 設備相關預埋件設置（單位：mm）

其次根據設備提資進行預埋件設置，包括定位尺寸、根（個）數、安裝方法、安裝誤差、控制標高、規格尺寸、材質以及相關焊接要求。典型的構造如圖8所示，錨筋和鋼板焊接，按規定間隔埋置在主體結構構件中，然后臥放槽鋼再與預埋鋼板焊接作為設備基礎，槽鋼平整度誤差需滿足電氣設備要求。

圖8 構造詳圖（單位：mm）

項目B在正負零地面以下設置電纜溝便于電纜管線連接和檢修，電纜溝上敷設成品的復合材料蓋板（也可根據需求設置鋼筋混凝土預制板），其他區域采用正常的建筑地面做法，無需設置結構板。電纜溝的側壁（即地壟墻）根據溝深、擋土及防水情況綜合考慮選用砌體墻或鋼筋混凝土墻，當采用混凝土側壁時，可按地下室外墻進行配筋計算。項目結合實際情況采用磚砌體墻，材質為MU10實心頁巖磚。文獻[7]計算得出不同模數磚砌擋土墻的最大擋土高度Hmax分別為240mm 厚 Hmax為 1.329m，370mm 厚 Hmax為 1.831m，420mm厚Hmax為2.009m。項目電纜溝深度1.2m，地壟墻厚度為240mm。另外，砌體墻厚還應符合模數要求，對于局部難以滿足模數要求且上部無承重設備荷載的位置可采用斗砌形式解決。

根據砌體結構相關構造要求[8]，地壟墻交接部位及墻端部內設置了構造柱，構造柱之間的間距不大于3m，在墻頂結合埋設預埋件及敷設蓋板要求設置了壓頂圈梁或者過梁，地壟墻平面布置如圖9所示。地壟墻下設置墻下條形基礎，對于變壓器這種較重的設備，單獨設置混凝土基礎防止不均勻沉降。地面以下回填土須為壓實填土，壓實系數不低于0.95，以保證地面能承受10kN/m2荷載，設備基礎及溝坑墊層以下應至少有0.5m厚壓實填土。

圖9 地壟墻結構平面布置（單位：mm）

4 結語

（1）變電站下方設地下夾層時，電力設備荷載較大，正負零處活荷載存在各種工況，主體結構設計階段要預留足夠的荷載，待設備布置固定后，再對結構布置進行調整并按實際荷載仔細復核配筋及主要結構構件變形，確保結構安全性。

（2）變電站主體結構設計階段，構件截面選取需滿足凈高要求。對于平面呈長條形結構，在一個方向難以避免形成單榀框架時，為了提高結構抗震性能，可采取提高抗震構造措施的方式進行加強處理。

（3）在配合深化階段，結構布置要充分考慮預埋件的埋設及安裝，錨筋需有足夠的錨固長度。對于設地下夾層類型，結構布置根據各種洞口調整后應為傳力明確的主次梁體系。對于設電纜溝類型，若采用實心磚砌筑的地壟墻，墻體構造需滿足砌體結構相關規范要求。