付艷偉，邱昌勝，張愛(ài)民

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094)

1 概況

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境的要求越來(lái)越高，對(duì)于變電站的建筑外型等有了較高的要求，設(shè)計(jì)難度也遠(yuǎn)較常規(guī)變電站高。某供電公司220kV變電站位于某市高新開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，基于和周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的規(guī)劃要求，業(yè)主要求將變電站中變壓器、GIS等全部電氣設(shè)備以及水泵房等附屬設(shè)備均設(shè)在一個(gè)生產(chǎn)綜合樓內(nèi)，因此布置遠(yuǎn)較普通的變電站復(fù)雜，國(guó)內(nèi)同類建筑也較為少見(jiàn)。其建筑效果圖見(jiàn)圖1：

圖1 建筑效果圖

圖2 典型平面布置圖

圖3 典型斷面圖

從上述平面和斷面可以看出結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜，有做半地下室結(jié)構(gòu)、大空間結(jié)構(gòu)、錯(cuò)層、掛線獨(dú)立柱等非規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的手算復(fù)核已不可能，人們一般都依靠軟件分析計(jì)算，甚至直接用軟件出圖，目前常用的設(shè)計(jì)軟件都是填一套參數(shù)，就出一種結(jié)果，如果參數(shù)和結(jié)構(gòu)模型設(shè)置不正確，分析的結(jié)果就有很大的差別，我們常用的PKPM系列軟件更是如此，因此計(jì)算模型和軟件參數(shù)的正確與否、計(jì)算結(jié)果的判斷和后處理是關(guān)系到工程設(shè)計(jì)的安全和質(zhì)量的重要因素。本文就從上述幾個(gè)方面展開(kāi)論述，希望能對(duì)類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所幫助。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 半地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著變電容量的不斷增大，變電站進(jìn)出電纜不僅數(shù)量在增加，而且電纜直徑也在變大，受電纜溝高度和寬度的限制，工人敷設(shè)電纜非常困難。因此，設(shè)置電纜溝已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法解決問(wèn)題，于是一般采用露出地面1.2～1.5 m的半地下室形式[1]，基礎(chǔ)采用帶護(hù)壁筏基的形式。這既能利用半地下室做電纜夾層，又能滿足電纜層通風(fēng)和采光的要求，便于室內(nèi)外電纜敷設(shè)和維護(hù)。

對(duì)于帶地下室的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，地下室與回填土的作用應(yīng)該是相互的。鑒于目前規(guī)范的反應(yīng)譜理論是基于剛性地基假定的，因此帶地下室的建筑建模一般采用兩種方法：A、嵌固位移法，即約束地下室的水平位移，地下室水平位移為0，將地下室的所有節(jié)點(diǎn)的Dx、Dy位移約束住；B、彈簧剛度法，將地下室的側(cè)墻節(jié)點(diǎn)加彈簧支撐或彈性支撐連接，此時(shí)彈簧的剛度可取很大或按照側(cè)土的橫向基床反力系數(shù)取用。

對(duì)于半地下室來(lái)說(shuō)，若按照全嵌固，即約束地下室的水平位移。由于采用筏板基礎(chǔ)，為保證荷載有效傳遞至基礎(chǔ)上的需要和地下室局部露出地面，而且露出部分無(wú)側(cè)土約束，因此必須采用整體計(jì)算的方式，可合理考慮地下室的剛度。

合理考慮地下室剛度比較簡(jiǎn)單，可以真實(shí)地將地下室部分與上部構(gòu)件一起建模，建立一個(gè)包括上部結(jié)構(gòu)和地下室所有構(gòu)件在內(nèi)的綜合模型，很容易實(shí)現(xiàn)。但是確定水平彈簧剛度的具體取值，是一項(xiàng)非常困難的工作。回填土對(duì)地下室本身有約束作用，但是由于影響這種約束作用的因素很多，從目前的文獻(xiàn)資料[2]來(lái)看，很難確定約束作用的大小。目前在SATWE軟件中，沒(méi)有直接要求用戶輸入水平彈簧剛度的真實(shí)數(shù)值，而是間接地要求輸入“回填土對(duì)地下室約束作用的相對(duì)(彈簧)剛度比” [3]，其含義是回填土的約束剛度與地下室本身側(cè)移剛度的比值。若取相對(duì)剛度比為零，則表示不考慮回填土的約束剛度；若取相對(duì)剛度比為5.0或更大，則計(jì)算結(jié)果與嵌固各層地下室頂板水平位移效果一致。對(duì)于一般工程，取相對(duì)剛度比在2～4之間，比較合適。Satwe 軟件給出的地下室水平位移約束隱含值為3.0，就是根據(jù)上述分析經(jīng)驗(yàn)確定的。對(duì)于半地下室的生產(chǎn)綜合樓來(lái)說(shuō)，這個(gè)約束值應(yīng)該做一下調(diào)整，最好針對(duì)不同的方案布置情況，調(diào)整取值、對(duì)比結(jié)果，按最不利計(jì)算。

應(yīng)當(dāng)指出，SATWE軟件雖然可以計(jì)算側(cè)向土和水壓力對(duì)地下室外墻的作用，但是程序是將水平方向的不均勻荷載簡(jiǎn)化為均布荷載，并采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，因此它的計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差。建議對(duì)于地下室外墻按照擋土墻進(jìn)行驗(yàn)算，復(fù)核配筋及側(cè)墻對(duì)基礎(chǔ)傳遞的荷載等。

2.2 結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)

生產(chǎn)綜合樓的結(jié)構(gòu)設(shè)有大空間和錯(cuò)層，而且由于變壓器室之間必須設(shè)置防火墻，因此若考慮采用框排架結(jié)構(gòu)，則防火墻的設(shè)置就較為困難，因此，本工程選用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板在整體結(jié)構(gòu)中起協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件共同受力的作用，錯(cuò)層結(jié)構(gòu)由于樓板不連續(xù)，會(huì)引起構(gòu)件內(nèi)力分配及地震作用沿層分布的復(fù)雜化，易形成不利于結(jié)構(gòu)抗震的短柱和矮墻。在工業(yè)建筑中，最好和工藝專業(yè)緊密配合，盡量少設(shè)置錯(cuò)層，當(dāng)錯(cuò)層高度，不超過(guò)框架梁高時(shí)，應(yīng)按照一層進(jìn)行計(jì)算，錯(cuò)層高度較高時(shí)，才設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)層。

不規(guī)則結(jié)構(gòu)在條件允許和可能的情況下，盡量采用受力合理、規(guī)則對(duì)稱的設(shè)計(jì)方案，避免采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案，這是對(duì)結(jié)構(gòu)不規(guī)則性控制的最有效手段。在結(jié)構(gòu)計(jì)算不滿足規(guī)范要求、差別較大時(shí)，不應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)單的調(diào)整計(jì)算參數(shù)或放大地震力，而應(yīng)當(dāng)首先修改結(jié)構(gòu)方案。

下面重點(diǎn)談一下，這種結(jié)構(gòu)的電算設(shè)置：

⑴ 結(jié)構(gòu)方案調(diào)整：調(diào)整結(jié)構(gòu)方案，減少結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性和構(gòu)件剛度的不均勻性，避免過(guò)大偏心導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭剛度是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要途徑，應(yīng)盡量加強(qiáng)結(jié)構(gòu)周邊的剛度，設(shè)計(jì)中，由于變壓器室側(cè)框架剛度較小，故調(diào)整了變壓器側(cè)柱子截面布置，以增加抗扭剛度，計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的周期比和位移比均滿足規(guī)范要求，方案調(diào)整是成功的。

⑵ 振型數(shù)量：為保證抗震計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，必須選取足夠多的振型數(shù)量，使有效質(zhì)量數(shù)大于0.9，對(duì)于不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，特別是具有彈性樓板、樓板大開(kāi)洞、錯(cuò)層等結(jié)構(gòu)，由于有質(zhì)量貢獻(xiàn)的自由節(jié)點(diǎn)數(shù)大大增加，選擇的振型數(shù)也必須大大增加。

⑶ 分析方法：由于結(jié)構(gòu)存在樓板不連續(xù)、開(kāi)大洞錯(cuò)層等，不符合剛性樓板假定時(shí)，應(yīng)采用彈性樓板假定計(jì)算地震作用。

⑷ 錯(cuò)層結(jié)構(gòu)：錯(cuò)層結(jié)構(gòu)層高不一致，使有關(guān)樓層間的控制參數(shù)，如層間位移比、層間剛度比等計(jì)算失真，因此不能機(jī)械地直接采用這些數(shù)據(jù)，而應(yīng)加以分析判斷和手工校核，確定其是否合理，并進(jìn)行必要的變通和調(diào)整處理，另外需要注意的是Satwe軟件無(wú)自動(dòng)搜索分析短柱的功能，需要設(shè)計(jì)人員自己采取特別的加強(qiáng)措施。

3 對(duì)電算設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)

通過(guò)本工程和其他的類似工程的設(shè)計(jì)，談一下我對(duì)電算程序的認(rèn)識(shí)及如何判斷結(jié)構(gòu)電算結(jié)果的合理性問(wèn)題。

3.1 計(jì)算機(jī)分析結(jié)果的認(rèn)識(shí)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]3.6.6條規(guī)定，“所有計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)分析判斷確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計(jì)?！薄痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]5.1.6條規(guī)定：“對(duì)電算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)判斷和校核；在確認(rèn)其合理有效后，方可用于工程設(shè)計(jì)?！边@些文獻(xiàn)的規(guī)定，說(shuō)明人在設(shè)計(jì)中的重要性，計(jì)算分析是根據(jù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型進(jìn)行的，采用簡(jiǎn)化的荷載和模型，實(shí)際結(jié)構(gòu)是有差異的，必須清醒地認(rèn)識(shí)到，電算分析只有合理的模型和結(jié)果，沒(méi)有絕對(duì)正確的。

完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)，要清楚軟件的適用范圍，計(jì)算模型的假定和適用條件，對(duì)計(jì)算結(jié)果要進(jìn)行判斷，合理有效后，才可用于工程設(shè)計(jì)。要提倡概念設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)人的主導(dǎo)作用，計(jì)算機(jī)僅為輔助設(shè)計(jì)手段，設(shè)計(jì)人員的地位和作用是不可替代的。

3.2 如何判斷電算結(jié)果的合理性

⑴ 對(duì)總體結(jié)構(gòu)的分析判斷，主要考慮以下幾個(gè)方面。

①所選軟件是否適用，使用是否恰當(dāng)，是否滿足軟件假定，結(jié)構(gòu)模型是否正確，軟件參數(shù)設(shè)置是否合理。

②結(jié)構(gòu)振型、周期、位移等參數(shù)是否滿足規(guī)范要求。

③結(jié)構(gòu)地震作用沿結(jié)構(gòu)高度的分布是否合理，參震質(zhì)量及樓層地震剪力等是否滿足規(guī)范要求。

④對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)采取多模型分析，避免單一計(jì)算模型帶來(lái)的差錯(cuò)。

⑤與已建成熟工程進(jìn)行比較。

⑵ 對(duì)局部構(gòu)件的分析判斷，主要考慮以下幾個(gè)方面。

①截面尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求，配筋是否超筋，是否滿足使用極限狀態(tài)和應(yīng)力強(qiáng)度極限狀態(tài)的要求。

②受力復(fù)雜的構(gòu)件，其內(nèi)力和應(yīng)力分布是否與力學(xué)概念、工程經(jīng)驗(yàn)一致，是否采取了有效的加強(qiáng)措施。

③構(gòu)件的內(nèi)力和配筋是否滿足規(guī)范抗震措施的要求。

4 結(jié)論

⑴ 帶半地下室的結(jié)構(gòu)必須整體建模計(jì)算，且可適當(dāng)考慮土的約束作用。SATWE軟件對(duì)這種承受平面外的力作用的地下室側(cè)壁分析，有一定的誤差，必須采用其他軟件進(jìn)行驗(yàn)算。

⑵ 錯(cuò)層、大開(kāi)間、樓板局部大開(kāi)洞的復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，首先須合理的設(shè)置結(jié)構(gòu)抗扭剛度，減少扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，并選取足夠的振型數(shù)量和其他合理的參數(shù)設(shè)置，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理有效性分析后，才可用于設(shè)計(jì)。

⑶ 電算是設(shè)計(jì)的重要部分，總結(jié)了我對(duì)電算的一些認(rèn)識(shí)，強(qiáng)調(diào)人在設(shè)計(jì)中的重要性，電算僅是輔助設(shè)計(jì)。

[1]GB50011-2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50010-2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].