淺談變電站廠房梁設(shè)計的裂縫控制

陸婧

蘭州倚能電力設(shè)計咨詢有限公司 甘肅 蘭州 730050

引言

在全球能源日益緊張的背景下，我國電網(wǎng)的建設(shè)成就舉世矚目，現(xiàn)階段我國發(fā)電量已經(jīng)升至美國的1.85倍。為了保證電網(wǎng)運行的安全，變電站廠房的建設(shè)成為電網(wǎng)建設(shè)中的重要一環(huán)。由于現(xiàn)階段變電站廠房的設(shè)計過程中，多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為變電站廠房梁。而鋼筋混凝土自身的特點，使其在運行的過程中容易受到溫度差異、外部負荷而引發(fā)裂縫。變電站廠房在運行的過程中電氣設(shè)備使用較多，對變電站廠房梁所造成的影響也會相對比較嚴重，因此需要充分考慮到變電站的建設(shè)特點，分析變電站廠房梁裂縫的產(chǎn)生原因。

1 變電站廠房梁裂縫的產(chǎn)生原因

1.1 溫度裂縫

由于變電站廠房梁在建設(shè)的過程中，多采用鋼筋混凝土框架，磚砌墻體的形式進行建設(shè)。而混凝土梁與磚砌體膨脹系數(shù)不一致，其受到溫度的影響也有較大的差距，導(dǎo)致兩者之間的伸縮量不盡相同。在受到溫度的影響下，磚砌體的伸縮量較低，而混凝土因溫度而膨脹伸縮的系數(shù)，通常在磚砌體的1.9～2.3倍左右，從而導(dǎo)致房梁與墻體之間出現(xiàn)一定的拉壓應(yīng)力作用，當拉壓應(yīng)力超過房梁自身抗拉強度極限的情況下，就會產(chǎn)生相關(guān)的應(yīng)力裂縫[1]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廠房梁的建設(shè)過程中，水泥的水化反應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體內(nèi)外的溫度具有差異，當水泥配比不合理、養(yǎng)護不佳的情況下，廠房梁的內(nèi)外溫差較大，很容易導(dǎo)致溫度應(yīng)力所引起的細小裂縫。而在梁使用的過程中，由于進一步的承重負載，導(dǎo)致細小裂縫相互影響，從而形成肉眼可見的大型裂縫，對其的結(jié)構(gòu)、性能造成影響。

1.2 干縮裂縫

混凝土在澆筑施工的過程中，其中的水分會逐漸受到蒸發(fā)，由于水化反應(yīng)等原因，混凝土自身溫度較高的情況下，水分的蒸發(fā)速度過快，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)水分蒸發(fā)后的氣泡，同時也會導(dǎo)致表層混凝土的變形較大。在廠房梁設(shè)計的過程中，若沒有把握好混凝土的水泥比例，很容易導(dǎo)致外部形變速度高于內(nèi)部形變速度，從而導(dǎo)致因內(nèi)外形變差異而形成的拉應(yīng)力，當拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度的極限時，就會產(chǎn)生干縮裂縫。同時，部分混凝土在施工的過程中，干縮裂縫的產(chǎn)生往往是不可視的，并在其承受負載的情況下使內(nèi)部裂縫相互影響，并產(chǎn)生更大的裂縫[2]。

1.3 沉陷裂縫

變電站廠房的建設(shè)環(huán)境往往較為復(fù)雜，因此在進行廠房設(shè)計之前，需要對廠房建設(shè)地基進行有效的調(diào)查。一方面需要做好對地基的處理，避免變電站廠房在使用的過程中出現(xiàn)較大的沉降，從而導(dǎo)致應(yīng)力存在相對比較集中的情況，使廠房梁受到的應(yīng)力方向發(fā)生變化。當沉降所造成的形變超出房梁耐受極限時，則會導(dǎo)致呈現(xiàn)裂縫的產(chǎn)生；另一方面，在變電站廠房建設(shè)的過程中，柱位產(chǎn)生的沉降相對較大，而廠房梁的下部支撐是由各個柱樁所組成的，廠房梁的荷載會隨著柱樁傳導(dǎo)至地基。若地基的承載能力不夠，則可能引起下沉的現(xiàn)象，在沉陷的情況下，會導(dǎo)致廠房梁出現(xiàn)變形的情況，當變形應(yīng)力超出廠房梁抗剪、抗拉強度極限的情況下，就會導(dǎo)致沉陷裂縫的產(chǎn)生。

2 變電站廠房梁設(shè)計的裂縫控制

2.1 計算參數(shù)的合理選擇

由于變電站廠房結(jié)構(gòu)在建設(shè)的過程中多采用框架結(jié)構(gòu)，變電站的廠房梁具有大開間、大跨度的特點。導(dǎo)致其在荷載的過程中，內(nèi)部的應(yīng)力影響較大。因此在相關(guān)人員進行房梁設(shè)計時，需要對房梁裂縫的寬度計算進行有效的處理，從而有效控制房梁的拉伸極限值，以減少各種應(yīng)力引起的廠房量裂縫現(xiàn)象。

2.1.1 充分考慮梁柱重疊對應(yīng)力帶來的影響。梁柱重疊的過程中會對梁端的彎矩折減和梁端剛域帶來影響，在進行計算的過程中，需要充分考慮梁柱重疊是否會對相關(guān)的參數(shù)帶來影響。例如在梁端剛域的情況下，兩端的彎矩會有所下降，通常會保持2%左右的下降幅度。而在梁端彎矩折減的情況下，兩端的彎矩降低現(xiàn)象會達到12.7%左右。在進行參數(shù)計算的過程中，需要考慮到不同梁柱支座中心內(nèi)力對廠房梁受力情況所帶來的影響，實際控制其邊緣位置的內(nèi)力，以提升兩端的彎矩折減數(shù)值，從而使其能夠承受更大的應(yīng)力，以減少溫度或者干縮等情況對廠房梁裂縫寬度計算所帶來的影響[3]。由于在計算的過程中，梁端的彎矩折減計算若只采用對組合內(nèi)力進行折減的情況下，標準內(nèi)力可能會導(dǎo)致彎矩折減參數(shù)出現(xiàn)誤差，無法在設(shè)計的過程中有效降低裂縫寬度，從而導(dǎo)致計算結(jié)果的不準確。因此需要得到設(shè)計人員的充分重視。

2.1.2 充分考慮支座寬度對裂縫寬度帶來的影響。支座寬度對裂縫寬度帶來的影響相對較小，但在計算的過程中不能對其進行缺省、不考慮。而是需要采取有效的措施對支座寬度進行有效的控制，從而在考慮支座寬度的前提下，對裂縫寬度的計算進行合理的控制。例如在平法出圖的過程中，裂縫寬度的計算需要充分重視支座中心內(nèi)力對裂縫寬度標準內(nèi)力的影響。在實際控制的過程中，需要根據(jù)具體的建設(shè)情況進行深入分析，從而在變電站場房梁設(shè)計的過程中，通過配筋的調(diào)整對裂縫寬度進行控制。比如在裂縫寬度控制在0.3mm的情況下，若不考慮支座寬度的影響，房梁的配筋比率會比平均比率增加16%左右；而在裂縫寬度控制到0.2mm時，考慮到支座寬度的影響，可以有效降低配筋的比率。因此在計算的過程中，需要充分考慮支座寬度對裂縫寬度帶來的不良影響。

2.2 設(shè)計過程中對裂縫寬度超限的處理

裂縫寬度超限的情況下，意味著變電站廠房內(nèi)部應(yīng)力超出房梁設(shè)計的拉伸力極限值。通常情況下，可以通過改變房梁的橫截面積并提升鋼筋配筋比率，對房梁設(shè)計的拉伸應(yīng)力進行調(diào)整。

首先，在改變配筋的過程中，可以通過加大配筋量、使用細鋼筋、施加預(yù)應(yīng)力、增加支撐桿等方式提升房梁的穩(wěn)定性。通常會采用加大配筋量的方式進行直接調(diào)整。該方式最簡單最直接，但同時也會導(dǎo)致房梁截面鋼筋過多、過密的情況，使房梁鋼筋澆筑施工的難度提升，無法保障混凝土施工的質(zhì)量；在采用細鋼筋的情況下，細鋼筋具有更好的經(jīng)濟性，但由于鋼筋直徑的改變，很難對裂縫的寬度進行有效的調(diào)控，并在房梁截面寬度要求的情況下，很難通過增加細鋼筋的數(shù)量來提升房梁的抗應(yīng)力作用[4]。也因此，該方式在房梁設(shè)計的過程中實際應(yīng)用較少。但在設(shè)計的過程中應(yīng)當優(yōu)先考慮最經(jīng)濟、可靠的方式提升房梁強度；而在施加預(yù)應(yīng)力的過程中，由于預(yù)應(yīng)力混凝土施工較為麻煩，變電站廠房的規(guī)模又較小，施加預(yù)應(yīng)力工程可能會導(dǎo)致工程成本的增加，因此在實際應(yīng)用的過程中，需要根據(jù)房梁裂縫的實際情況進行合理選擇。通常情況下，該方式的應(yīng)用優(yōu)先級較低。

其次，在采用增加房梁截面積提升房梁強度的情況下，截面積的增大會導(dǎo)致房梁自身的體積增加、自重增加，并引起房梁內(nèi)力增加，很容易導(dǎo)致房梁應(yīng)力隨之而增加。在相互作用的影響下，增加房量截面積的方式很難對房梁裂縫寬度進行有效的影響。而在增加房梁截面積的過程中，為了使其達到良好的效果，還需要進一步增加建筑整體的總高和層高，以確保房梁安裝凈高的要求，使工程整體的施工成本提升。

總結(jié)來說，在變電站廠房梁設(shè)計過程中，若需要控制房梁裂縫寬度超限的情況，則需要優(yōu)先考慮鋼筋直徑進行有效的調(diào)整，然后采取增加配筋量的方式對房梁的抗拉強度進行調(diào)整。而在房梁配筋量過大、過密的情況下，再考慮增加房梁截面積的方式。但同時需要注意的是，若增加截面積尺寸，需要充分考慮到變電站廠房墻體支柱的承載能力，并遵循強柱弱梁的抗震理念，提升支柱的承載能力，并根據(jù)實際的需求合理調(diào)整配筋量，以避免對工程總體成本帶來的不良影響。

2.3 不同裂縫寬度對配筋量的影響

在展開變電站廠房梁設(shè)計的過程中，為了使其能夠應(yīng)對因溫度、干縮、沉降等原因所帶來的裂縫，降低裂縫對房梁結(jié)構(gòu)帶來的影響，需要充分考慮不同裂縫寬度控制要求對配筋量所帶來的影響。根據(jù)國家對變電站建筑建設(shè)的要求中可以確定，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房梁，其最大裂縫寬度應(yīng)當?shù)陀?.2mm。而在實際的裂縫寬度控制過程中，控制裂縫寬度在0.3mm以內(nèi)時，實際的鋼筋面積應(yīng)為計算值的1.42倍。根據(jù)國家標準控制到0.2mm以內(nèi)時，則需要將鋼筋面積的比例控制為計算值的1.92倍左右。可以看出，在實際控制的過程中，具體的裂縫控制標準對于配筋量的影響較大。

通過對變電站使用環(huán)境的分析，變電站的使用年限通常為50年，運行條件相對于民用建筑較好。由于變電站室內(nèi)運行空間的濕度有控制要求，室內(nèi)濕度較低，使其對房梁混凝土結(jié)構(gòu)造成的影響較低。相關(guān)人員在展開混凝土配筋量計算的過程中，應(yīng)當充分考慮到變電站實際的使用環(huán)境、需求對房梁所帶來的各種影響，從而避免鋼筋量的增加，減少工程整體投資成本。同時，由于變電站廠房梁的配筋量往往是由裂縫寬度控制的，在裂縫寬度控制的過程中，需要充分考慮到梁端負彎矩調(diào)幅的數(shù)值，并根據(jù)支座的負彎矩情況對量體進行正彎矩的調(diào)整，從而形成更加穩(wěn)定的量體支撐結(jié)構(gòu)，并有效增加大跨中正彎矩，對裂縫寬度進行控制[5]。此外，在增加房梁混凝土結(jié)構(gòu)配筋比率的同時，還需要增加支座的鋼筋面積，從而對負彎矩調(diào)幅系數(shù)進行調(diào)整。使房梁的承載能力、抗拉伸強度得到有效提升。而在設(shè)計的過程中，也需要適當調(diào)整負彎矩調(diào)幅系數(shù)，將其設(shè)置為1，同時增加支柱的配筋比例，使其符合變電站廠房梁設(shè)計的實際需求。

2.4 采用鋼筋代換法控制裂縫寬度

在變電站廠房梁設(shè)計的過程中，采用的鋼筋主筋通常使用拉伸強度較好的變形鋼筋。比如最常見的HRB400和HRB400E同為三級鋼筋，后者具有較強的抗震性能，價格也較高。但不同的鋼筋，其能夠發(fā)揮的承載力、抗拉伸能力和性能具有較大的差別。在設(shè)計的過程中需要根據(jù)對應(yīng)的強度以及配筋比率、配筋面積和實際的需求，采用鋼筋替換法來確保房梁的強度和經(jīng)濟效益。比如在某變電站廠房的設(shè)計過程中，其采用的HRB400鋼筋的強度較高，但該區(qū)域位于地震帶，因此需要采用有抗震性能的HRB400E，但是HRB400E的鋼筋價格較高，同時HRB400的配筋面積依然可以滿足房梁整體的強度需求。因此，可以采用價格更低的HRB400鋼筋合理代換部分HRB400E鋼筋，以控制裂縫寬度，保證梁抗震性能的同時，降低工程施工成本。

在具體的鋼筋代換過程中，需要充分考慮到不同結(jié)構(gòu)類型的變電站廠房，其裂縫寬度控制時對鋼筋的放大系數(shù)要求不同。為了進一步保障房梁強度滿足抗震需求和裂縫預(yù)防需求，需要進行整體計算確定配筋值，并采取對應(yīng)的鋼筋進行配筋。比如在采用HRB400替代HRB335時，其截面的配筋比率有較大的差別，需要在完整的計算后進行等面積代換，而不是等強代換，從而避免裂縫寬度無法得到有效的控制，并保證變電站廠房梁結(jié)構(gòu)的耐久性。但同時也會增加梁的強度和剛度，需要充分考慮其對房梁抗震性能的影響。

3 結(jié)束語

綜上所述，變電站廠房梁設(shè)計的過程中，引起梁出現(xiàn)裂縫的主要原因是由于溫度、干縮、沉降等原因引起的應(yīng)力裂縫。因此，相關(guān)人員在設(shè)計的過程中應(yīng)當針對裂縫控制的原則，對配筋比率進行合理的計算。通過前期的有效設(shè)計，合理控制裂縫的寬度，在減少鋼筋材料用量的同時，提升梁的強度和彎矩調(diào)幅能力，從而有效控制變電站廠房梁的裂縫寬度，為變電站的建設(shè)提供可靠保障。