變電站建筑屋面形式及結(jié)構(gòu)柱選型研究

臨沂正信工程勘察設(shè)計(jì)有限公司 鄭 艷 譚 芳 王士尊 于 璐 國網(wǎng)上海市電力公司 劉思思 劉步順

前言

目前，山東省內(nèi)110kV及以下電壓等級的變電站多采用單層鋼框架，平屋面的結(jié)構(gòu)形式；梁柱多采用H型鋼。根據(jù)《國家電網(wǎng)輸變電工程通用設(shè)計(jì)35kV-110kV智能變電站模塊化建設(shè)施工圖設(shè)計(jì)》2016年版，屋面形式除可采用平屋面外，亦可采用坡屋面；結(jié)構(gòu)梁、柱等主要承重構(gòu)件宜采用H型鋼截面或箱型截面。相比于坡屋面的結(jié)構(gòu)形式，平屋面結(jié)構(gòu)建筑效果較為單一，屋面防水節(jié)點(diǎn)處理易出現(xiàn)滲漏，但平屋面結(jié)構(gòu)的受力性能較坡屋面結(jié)構(gòu)簡單，受力性能明確，同時施工較為簡單。當(dāng)采用坡屋面時，由于屋頂斜面的設(shè)置,使建筑立面增強(qiáng)了變化感,一改傳統(tǒng)“火柴盒”式的呆板造型。

針對市區(qū)變電站這類有建筑外觀要求的變電站，坡屋面建筑形式更能滿足變電站周邊市區(qū)整體的建筑效果。從坡屋面的結(jié)構(gòu)布置方式可以看出，與平屋面相比，坡屋面的斷面形式為“人”字形，其結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與拱、殼結(jié)構(gòu)類似，坡屋面斜板和與之相連的框架梁、柱在實(shí)際工作中形成類似于拱的受力狀態(tài)，并對框架柱有水平方向的推力；與平屋面的受力狀態(tài)有著很大的差別。而隨著坡度的增加，緩解中柱與角柱軸力差值的作用[1]，梁拱對框架柱的水平力越來越大，從而引起的柱頂剪力及彎矩不斷增大[2]。

以往的研究多集中在鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，著重于研究坡屋面結(jié)構(gòu)對常規(guī)鋼筋混凝土矩形柱的力學(xué)影響。與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，屋面形式對單層鋼框架結(jié)構(gòu)柱的選型影響研究則幾乎沒有，而進(jìn)一步地鋼結(jié)構(gòu)柱的選型及鋼結(jié)構(gòu)的屋面形式對變電站建筑物的造價影響研究更是寥寥。

針對這兩個問題，本文對屋面形式對變電站單層鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柱選型影響進(jìn)行了研究，旨在研究屋面形式對變電站單層鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柱選型、鋼框架整體結(jié)構(gòu)及變電站建筑物造價影響。通過對結(jié)構(gòu)分析及框架用鋼量的經(jīng)濟(jì)性分析，確定平屋面及坡屋面情況下最優(yōu)的結(jié)構(gòu)柱選型，為后續(xù)變電站工程單層鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供便利。

1 屋面形式對變電站單層鋼框架結(jié)構(gòu)柱選型影響的研究

本文選取《國家電網(wǎng)輸變電工程通用設(shè)計(jì)35kV-110kV智能變電站模塊化建設(shè)施工圖設(shè)計(jì)》2016年版110-A2-4方案作為研究對像，根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合PKPM軟件試算結(jié)果，通過四個方案的結(jié)構(gòu)對比研究平屋面形式及坡屋面形式下鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)柱選型。平屋面采用結(jié)構(gòu)找坡，坡度設(shè)定為5%；坡屋面為滿足電氣設(shè)備吊裝凈距要求、方便后期施工、防止因坡度超度25%導(dǎo)致采取額外的防水卷材及混凝土防脫落固定措施，并結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定配電裝置室各室屋面坡度為16.5%。方案詳情如表1所示。

配電裝置室結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定如下：地震設(shè)防烈度采用8°（0.2g），第二組，場地類別采用II類，建筑抗震設(shè)防類別為丙類；屋面恒荷載為1.5kN/m2，活荷載為1.5kN/m2，建筑屋面均按不上人屋面考慮，本次研究中不考慮設(shè)備吊鉤荷載對結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)建模計(jì)算軟件這里采用的是PKPM軟件SATWE V5.2.2版。

通過PKPM軟件SATWE 模塊進(jìn)行計(jì)算，可以得到結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表2所示。從表1可以看到：

四種方案的指標(biāo)并沒有什么大的區(qū)別，質(zhì)量比、最小剛度比1、最小剛度比2、最小樓層受剪承載力比值這幾個指標(biāo)基本一樣；而其余的指標(biāo)盡管有差異，但是相差不多。

從結(jié)構(gòu)受力體系的合理程度上分析，采用方案一時工字鋼柱+平屋面模式時，結(jié)構(gòu)布置傳力途徑明確，次梁傳至主梁、主梁傳至柱強(qiáng)軸方向，受力方式合理；采用方案二箱型鋼柱+平屋面模式時，結(jié)構(gòu)布置傳力途徑明確，次梁傳至主梁、主梁傳至柱（無強(qiáng)弱軸之分），受力方式同樣合理；采用方案三工字鋼柱+坡屋面模式時，結(jié)構(gòu)布置傳力途徑較明確，但存在主梁負(fù)擔(dān)較大荷載后傳至柱弱軸方向，不是典型工字鋼柱受力模式，建議后續(xù)工程建筑方案應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)布置，調(diào)整此類方案；采用方案四結(jié)構(gòu)采用工字鋼柱+坡屋面模式時，結(jié)構(gòu)布置傳力途徑明確，次梁傳至主梁，主梁傳至柱（無強(qiáng)弱軸之分），受力方式合理。

2 結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

本小節(jié)從用鋼量、鋼筋桁架樓承板用量以及防火涂料用量角度分析四種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，表3為四種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

分析上表我們可知以下結(jié)論：

在這四種方案中，當(dāng)采用坡屋面時，鋼柱用量同平屋面相比持平，但由于屋面坡度的存在，導(dǎo)致鋼梁用量大大增加。

選用相同型號樓承板時，當(dāng)采用坡屋面時，鋼筋桁架樓承板用量較采用平屋面增加。

由于箱型截面柱的外露面積小于工字型截面柱，不論采用平屋面或是坡屋面，箱型截面柱的防火涂料面積均小于工字型截面。

綜合四種方案的用鋼量、鋼筋桁架樓承板用量及相應(yīng)的防火涂料用量，我們可以得出，方案二平屋面+箱型柱的模式由于其用鋼量較小、樓承板面積較小且防火涂料使用量小，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益，較其余方案能大大節(jié)省投資。

3 結(jié)語

通過PKPM建模分析、結(jié)構(gòu)受力體系分析及結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，我們得到以下結(jié)論：

不論屋面形式為坡屋面或是平屋面，采用工字型柱及箱型柱，對結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)都并沒有特別大的差別。

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力體系分析得出，在采用坡屋面結(jié)構(gòu)形式時，工字型柱結(jié)構(gòu)布置傳力途徑較明確，但存在主梁負(fù)擔(dān)較大荷載后傳至柱弱軸方向，不是典型工字鋼柱受力模式。因此，當(dāng)建筑需要選用坡屋面的建筑形式時，結(jié)構(gòu)柱應(yīng)優(yōu)先選用箱型柱，更有利于結(jié)構(gòu)受力體系的合理性。

當(dāng)采用坡屋面時，建筑物用鋼量及鋼筋桁架樓承板用量均高于平屋面時的使用量。

當(dāng)變電站對建筑造型無特殊要求時，選用平屋面+箱型截面柱時，結(jié)構(gòu)受力體系合理，建筑物技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最佳，其次應(yīng)采用平屋面+工字型截面柱，用鋼量與使用箱型截面柱時持平，但防火涂料使用量上較多，導(dǎo)致其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性次于箱型截面柱形式。