裝配式變電站鋼框架梁截面選型與優化研究

張 振，李 騰，聶建春，張 前，王 旭

(1.內蒙古電力( 集團)有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010020；2.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；3.內蒙古電力( 集團)有限責任公司內蒙古電力經濟技術研究院分公司，內蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

建筑工業化、模塊化建設是我國建筑行業的發展方向。近年來，我國大力推行裝配式建筑，電網公司提出建設裝配式變電站的要求，220 kV 及以下變電站建(構)筑物均優先采用裝配式結構。鋼結構以其工業化程度高、濕作業少、施工周期短等特點，已成為裝配式變電站建筑的主要結構形式。但相較于傳統的鋼筋混凝土結構，鋼結構工程造價較高，降低鋼結構造價有利于推進鋼結構在變電站中的應用。

《混凝土結構構造手冊》[1]建議鋼筋混凝土框架梁的高跨比取為1/15 ～1/10。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[2]建議框架結構的主梁截面高度按計算跨度的1/10 ～1/18 確定。而GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[3]和《鋼結構設計手冊》(第四版)[4]未對鋼框架梁的高跨比做出明確規定。鋼結構設計時，設計人員選取不適當的截面容易造成浪費；或者需進行多次試算、調整，從而造成工作量增加。若能明確鋼框架梁的高跨比，將大幅減少設計人員的工作量、節省用鋼量。本文對變電站鋼結構優化設計進行研究，充分利用截面的力學特性，探索變電站鋼框架梁的高跨比，從而達到減少用鋼量、降低造價的目的。

1 模型簡化

鋼框架結構空間分隔靈活、結構整體性好，廣泛應用于變電站建筑結構。變電站鋼框架結構與民用建筑鋼結構相比，具有布置受工藝影響大，跨度大、空間大，層數少、常規工程均為2 層以內，受地震和風荷載影響小，樓面活荷載大、變形敏感等特點[5]。豎向荷載和變形往往是鋼框架梁結構設計的控制因素。

變電站建筑層數少，底層鋼框架柱軸壓比一般小于0.40，根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[6]可不考慮“強柱弱梁”對鋼框架梁截面的調整。為方便研究，本文對受力模型進行簡化，取一榀框架并簡化為等截面剛架模型。梁柱連接、柱腳均采用剛接，框架柱采用箱型截面，框架梁采用H 型鋼，鋼材選用Q355B。忽略地震和風荷載影響，僅考慮承受均布豎向荷載。鋼框架受力簡化模型如圖1 所示。

圖1 鋼框架受力簡化模型圖

按照變電站鋼結構彈性方法設計，不考慮鋼框架梁、柱塑性發展。根據現行鋼結構設計標準[3]，梁柱截面板件寬厚比等級不應低于S4 級。

鋼框架梁截面慣性矩Ix可反映其受彎性能，H 型鋼梁高h、梁寬b、翼緣厚度tf和腹板厚度tw，均可不同程度影響梁的抗彎性能。其中，梁高h對H 型鋼梁抗彎性能影響最為顯著。而當梁高增加Δh時，梁截面積僅增加Δh·tw，相較于其他因素，用鋼量增加最少。

因此，本文著重研究梁高對鋼框架梁受力性能影響，以焊接H 型鋼[7-8]為例進行分析。

2 剛架模型靜力分析

2.1 按承載力極限狀態分析

根據《建筑結構靜力計算手冊》[9]中的剛架內力計算公式，推導出受均布線荷載的鋼框架梁的支座彎矩標準值計算式為：

在均布荷載作用下，梁跨中彎矩和支座彎矩總和等于ql2/8。因此，得到跨中彎矩標準值計算式為：

式中：M1、M2分別為梁左右兩端支座彎矩標準值；M0為梁跨中彎矩標準值；K為梁、柱線剛度比。

跨中彎矩與支座彎矩絕對值相等時，則：

求得K=2/3，此時鋼框架梁彎矩設計值有最小值，梁截面最小，用鋼量最省。

2.2 按正常使用極限狀態分析

根據《建筑結構靜力計算手冊》[9]中的單跨梁撓度計算公式，鋼框架梁的兩端約束條件介于簡支和嵌固之間，因此，鋼框架梁的跨中撓度也介于簡支梁和嵌固梁跨中撓度之間，跨中撓度v計算式為：

式中：β與梁、柱線剛度比相關常數，且1 ≤β≤5；嵌固時，β=1，簡支時，β=5；E為鋼材彈性模量；Ix為對X軸的截面慣性矩。

當梁柱線剛度比K為定值時，β是與K有關的常數，數值上等于鋼框架梁跨中撓度與兩端嵌固梁跨中撓度比值。因此，可通過有限元法分別建立鋼框架梁和兩端嵌固梁模型，計算跨中撓度比求得β。

有限元模型取柱高為5 m，梁跨度分別取5 m、8 m 和10 m，梁柱線剛度比K取2/3。其中梁跨度為8 m 的模型如圖2 和圖3 所示。在相同荷載條件下，不同跨度梁跨中撓度結果見表1所列。

表1 不同跨度梁β值計算結果

注：梁撓度數據單位為mm圖2 鋼框架梁跨中撓度

注：梁撓度數據單位為mm圖3 兩端嵌固梁跨中撓度

根據計算結果，對不同梁截面和跨度，當K=2/3 時，β呈高度近似性，可近似取為1.87。

綜上所述，梁、柱線剛度比K在2/3 附近時，梁跨中彎矩和支座彎矩絕對值接近，彎矩設計值最小，按承載力極限狀態計算的梁截面最優；此時鋼框架梁跨中撓度與兩端嵌固梁跨中撓度比值β近似為1.87。

3 鋼梁臨界高跨比

鋼梁截面設計應滿足承載力、變形、整體穩定性和局部穩定性的要求。梁頂設置栓釘與上部樓板牢固連接，有效阻止了受壓翼緣的側向位移，故可以不計算鋼梁的整體穩定性；通過限制板件寬厚比和加設加勁肋的方式，滿足局部穩定性的要求[3]。

因此，采取上述構造措施的情況下，僅需使鋼梁滿足承載力要求和變形要求，計算公式如下：

將式(2)代入式(6)可得到

式中：Mx為繞X軸的彎矩設計值；γx為截面塑性發展系數；Wx為對X軸的截面模量；f為抗彎強度設計值；[v]為撓度容許值；α與梁、柱線剛度比相關常數。

假設承載力要求和變形要求剛好同時滿足，即聯立式(5)、(7)，得到梁高跨比為：

將上式h/l定義為鋼框架梁的臨界高跨比λL[10]。

根據上節結論， 當K=2/3 時，β=1.87，α=1.5。根據經驗，鋼框架梁跨中彎矩的設計值和標準值的比值Mx/M0取1.35。截面板件寬厚比等級為S4 級時，γx可取1.0。

將上述條件代入式(9)，得到臨界高跨比λL為：

臨界高跨比是一個與鋼材強度、彈性模量和撓度容許值有關的常數。根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[3]要求，鋼框架梁撓度容許值可取l/400。Q355B 鋼框架梁臨界跨高比計算結果約為1/15。

4 變電站推薦高跨比

當鋼梁高跨比等于臨界高跨比時，承載力要求和變形要求剛好同時滿足，此時，截面性能得到充分發揮，截面最優。根據式(6)，本文定義鋼梁的臨界荷載標準值qL：

當外部荷載大于qL時，需要增加梁高使式(5)和式(6)剛好成立，式(6)受梁高變化影響更為顯著，變形要求更易滿足，此時梁截面由式(5)承載力要求控制。反之，當外部荷載小于臨界荷載qL時，可減少梁高使式(5)和公式(6)剛好成立，此時梁截面由式(6)變形要求控制。

因此，可通過對比變電站實際荷載與臨界荷載之間的關系，判斷鋼梁由承載力要求控制還是由變形要求控制，從而確定推薦高跨比的范圍。

以某全戶內變電站配電裝置樓房間為例， 跨度l為10 m， 鋼梁截面為WH650×200×8×16，鋼材為Q355B，當K接近2/3 時，計算臨界荷載qL=85 kN/m。

根據DL/T 5457—2012《變電站建筑結構設計技術規程》[10]，通常樓面恒載取5 kN/m2，墻板恒載取10 kN/m，樓面活載取4 ～10 kN/m2；不上人屋面恒載取7.5 kN/m2，活載取0.5 kN/m2。以10 m 板跨計算，該梁折算為均布線荷載標準值情況見表2 所列。

表2 某鋼梁均布線荷載標準值

對比變電站鋼梁實際荷載與臨界荷載qL：當采用Q355 鋼時，對于荷載較小的不上人屋面梁和邊跨梁，鋼梁截面由變形要求控制，鋼梁的推薦高跨比小于臨界高跨比，可取值1/15 ～1/18；對于設備房間中間跨梁，鋼梁由承載力要求控制，鋼梁的推薦高跨比大于臨界高跨比，可取1/13 ～1/15。

5 模型驗證

以某110 kV 全戶內變電站配電裝置樓電容器室中間跨梁為例，采用PKPM 軟件對本文理論進行驗證，其中：樓面恒荷載取5 kN/m2，活荷載取9 kN/m2，梁跨度為10 m，鋼材選用Q355B。建立該配電裝置樓物理模型，如圖4所示。

圖4 配電裝置樓物理模型

分別取不同截面梁試算，梁高在600 ～850 mm 之間、梁寬在200 ～300 mm 之間、應力比在0.9 左右的鋼框架梁計算結果見表3 所列。

表3 鋼框架梁計算結果

由表3 可知，當高跨比在1/12.5 ～1/14.3之間時，鋼梁應力比在0.90 左右，撓度滿足限值要求，鋼梁截面合理，鋼材性能得到充分發揮的同時用鋼量較少。

綜上所述，當采用Q355 鋼時，設備房間的梁最優高跨比在1/13 ～1/15 范圍內，與理論分析結論一致。

6 結語

本文采用靜力分析的方法，通過對鋼框架梁柱線剛度比、鋼梁臨界高跨比的研究，結合變電站鋼框架特點和以往工程實踐，推導出適合變電站鋼框架結構的最優梁柱線剛度比和鋼框架梁推薦高跨比，為截面選型和設計提供依據。

本文取得的主要結論如下：

1)增加H 型鋼梁高度，能夠顯著提高鋼梁抗彎性能，同時用鋼量增加最少；

2)梁柱線剛度比K=2/3 時，跨中彎矩與支座彎矩絕對值相等，鋼梁彎矩設計值最小、截面最優；

3)鋼框架梁臨界高跨比可用于判斷設計控制條件，臨界跨高比數值與梁柱線剛度比、鋼材強度、彈性模量和鋼梁撓度容許值有關。當K=2/3時，Q355 鋼材鋼框架梁臨界跨高比為1/15；

4) 當采用Q355B 鋼時，變電站配電裝置樓設備房間中間跨梁推薦高跨比建議取1/13 ～1/15，不上人屋面及邊跨梁推薦高跨比建議取1/15 ～1/18。