高東奇 曹林放 徐意智 姜 波 劉紹彬

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092; 2. 上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

地下變電站主體結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)選及分析

高東奇1,*曹林放2徐意智1姜 波2劉紹彬1

(1. 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092; 2. 上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

結(jié)合我國上海、北京地區(qū)地下變電站的主體結(jié)構(gòu)選型特點(diǎn)，采用Midas-GTS有限元分析軟件，對(duì)不同形式下主體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震性能進(jìn)行建模和分析，同時(shí)對(duì)地下變電站主體結(jié)構(gòu)的選型和優(yōu)化進(jìn)行了系統(tǒng)地分析與探討。

地下變電站, 主體結(jié)構(gòu), 優(yōu)選, 有限元分析

1 引 言

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是一個(gè)城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的根本保證。近年來，隨著城市經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平也不斷提高，種類日漸齊全，服務(wù)更加完善[1]。而電力系統(tǒng)建設(shè)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中舉足輕重的一環(huán)，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分。

隨著電力需求的不斷增加、施工技術(shù)的日益完善以及地上空間的日益緊缺，城市輸變電工程向地下空間發(fā)展成為一種必然趨勢(shì)[2]。不遠(yuǎn)的將來，必將會(huì)出現(xiàn)更多的地下變電站和電力隧道，為城市的繁榮提供強(qiáng)大的動(dòng)力[3]。

目前我國建有地下變電站的城市很多，但真正形成規(guī)模的主要為北京和上海兩地。

北京的土層是典型的北方硬土層，上海是典型的軟土地區(qū)[4]。對(duì)北京、上海兩地地下變電站主體結(jié)構(gòu)的選型進(jìn)行分析不僅有助于對(duì)這兩個(gè)地區(qū)地下變電站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，也能為其他城市的地下變電站建設(shè)提供重要的參考價(jià)值[5]。本文結(jié)合我國上海、北京地區(qū)地下變電站的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，對(duì)地下變電站結(jié)構(gòu)選型需參考的因素進(jìn)行歸納總結(jié)，同時(shí)利用有限元分析方法，對(duì)不同形式的主體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和抗震性能進(jìn)行分析。此外，分別以兩個(gè)典型地下變電站為例，對(duì)地下變電站主體結(jié)構(gòu)工程造價(jià)進(jìn)行了分析和對(duì)比，進(jìn)而對(duì)地下變電站主體結(jié)構(gòu)的選型和優(yōu)化提出了合理化建議。

2 地下變電站主體結(jié)構(gòu)選擇需參考的因素

目前，針對(duì)不同的工程條件，地下變電站的主體結(jié)構(gòu)形式主要有三種：剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)(以下簡稱“框剪結(jié)構(gòu)”)和框架結(jié)構(gòu)[6]。

對(duì)于一個(gè)特定的地下變電站工程，具體選擇哪種結(jié)構(gòu)形式主要參考以下幾種因素：

(1) 工程造價(jià)，除主體結(jié)構(gòu)自身的造價(jià)外，還需考慮因結(jié)構(gòu)形式引起的附加基坑工程造價(jià)；

(2) 結(jié)構(gòu)體系的受力合理性，包括結(jié)構(gòu)的整體性能(抵抗豎向不均勻變形的能力，結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性等[7])以及構(gòu)件的受力性能(構(gòu)件的撓度、裂縫、軸壓比等)；

(3) 工程場地水文地質(zhì)條件，工程場地土層條件越差，水文地質(zhì)條件越復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性要求就越高。

此外，對(duì)某一個(gè)地區(qū)而言，地下變電站主體結(jié)構(gòu)的選型，還應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)氐膰窠?jīng)濟(jì)發(fā)展水平和周圍環(huán)境的影響等[8]。

3 地下變電站主體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析

3.1 有限元模型介紹

為對(duì)比上述三種主體結(jié)構(gòu)形式的整體力學(xué)性能，進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。

有限元計(jì)算以某220 kV地下變電站為原型，全面考慮了地下變電站的主體結(jié)構(gòu)、周圍土體、地下連續(xù)墻、抗拔樁等的影響。地下變電站主體結(jié)構(gòu)長80 m、寬30 m，土體有限單元范圍長、寬、高分別取280 m、130 m和68 m。

主體結(jié)構(gòu)荷載包括結(jié)構(gòu)恒載、活載、水土荷載、頂板覆土荷載、底板水浮力以及地震作用，荷載取值參照原設(shè)計(jì)文件選取。

土層物理力學(xué)參數(shù)參照相關(guān)的工程地質(zhì)勘查資料如表1所示。

對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)，考慮地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻復(fù)合墻，應(yīng)考慮兩者的共同作用，墻體厚度統(tǒng)一取為1.7 m。地下連續(xù)墻的厚度為1.0 m，地下連續(xù)墻總高度34 m，插入深度18 m。主體結(jié)構(gòu)地下共三層，從上至下層高分別為6 m、6 m和4 m。樓板厚度依照原設(shè)計(jì)方案從上至下依次取為0.6 m、0.4 m和0.4 m, 筏板厚度取為1.7 m。為增大地下變電站抵抗上浮的能力，在其底板下方打設(shè)抗拔樁以增加其抗浮力[9]，布置抗拔樁33根，每根樁長33 m，如圖1、圖2所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)選取

Table 1 Selection of physical and mechanical parameters of soils

圖1 主體結(jié)構(gòu)(剪力墻結(jié)構(gòu))(單位：m)

圖2 底板及抗拔樁(剪力墻結(jié)構(gòu))(單位：m)

對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)，土層地質(zhì)條件及荷載條件與上述剪力墻結(jié)構(gòu)保持相同。用框架柱代替原剪力墻結(jié)構(gòu)中的部分剪力墻，改造成框剪結(jié)構(gòu)，如圖3所示。底板及抗拔樁亦與剪力墻結(jié)構(gòu)相同。

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部的豎向受力構(gòu)件全為框架柱，結(jié)構(gòu)除了四周的外墻，內(nèi)部沒有剪力墻，所以框架結(jié)構(gòu)以框架梁、框架柱等為主要承力體系。計(jì)算模型在原剪力墻結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，將所有剪力墻用框架柱進(jìn)行代替。底板及抗拔樁布置與剪力墻相同。

圖3 主體結(jié)構(gòu)(框剪結(jié)構(gòu))(單位：m)

3.2 有限元分析結(jié)果

為全面反映三種結(jié)構(gòu)形式的整體力學(xué)性能，需計(jì)算以下三種工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)：

(1) 施工階段(頂板覆土)：主要考慮結(jié)構(gòu)自重、結(jié)構(gòu)外墻水土荷載、結(jié)構(gòu)底板水浮力、覆土荷載等。

(2) 正常使用階段：主要考慮結(jié)構(gòu)恒載、活載、結(jié)構(gòu)外墻水土荷載、結(jié)構(gòu)底板水浮力、覆土荷載等。

(3) 地震作用下：主要考慮地層剪切變形作用，結(jié)構(gòu)自身恒活載、水土作用等[10]。

通過有限元計(jì)算，得到以下分析結(jié)果：

(1) 在施工階段，地下變電站主體結(jié)構(gòu)主要承受的荷載有結(jié)構(gòu)自重、水土荷載以及底板水浮力。在這一階段，最關(guān)鍵的一個(gè)驗(yàn)算項(xiàng)目就是主體地下結(jié)構(gòu)封頂，頂板完成覆土，地下水位恢復(fù)時(shí)的地基沉降量。

由計(jì)算可知，三種結(jié)構(gòu)形式在施工階段均能滿足抗浮要求，地基將產(chǎn)生下沉變形。三種不同的結(jié)構(gòu)形式下主體結(jié)構(gòu)地基平面上各點(diǎn)的沉降量如圖4所示。

通過對(duì)比可以看出，在這種“結(jié)構(gòu)—樁—土”共同作用下，剪力墻結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的整體性，框剪結(jié)構(gòu)次之，最后是框架結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的地基沉降量分別比剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)大45%和20%，差異沉降量分別比剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)大62%和26%。

(2) 在正常使用階段，由于結(jié)構(gòu)恒載、活載的作用，主體結(jié)構(gòu)相比于施工階段將有一個(gè)繼續(xù)下沉的過程，地基沉降量有明顯的增大。三種不同的結(jié)構(gòu)形式下主體結(jié)構(gòu)地基平面上各點(diǎn)的沉降量如圖5所示。

圖4 三種結(jié)構(gòu)形式地基沉降量對(duì)比(施工階段)

圖5 三種結(jié)構(gòu)形式地基沉降對(duì)比(正常使用階段)

通過對(duì)比可以看出，剪力墻結(jié)構(gòu)的最大沉降量為6.26 cm，框剪結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)分別為7.23 cm和8.23 cm。框架結(jié)構(gòu)的地基最大沉降量分別比剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)大31%和14%，差異沉降量分別為剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)的4倍和2倍。

(3) 在地震作用下，三種結(jié)構(gòu)形式的受力特點(diǎn)相差較大，采用反應(yīng)位移法進(jìn)行分析。

通過對(duì)比三種結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力云圖，得出：框架結(jié)構(gòu)的框架柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力非常大，最大應(yīng)力達(dá)25 MPa，極有可能導(dǎo)致嚴(yán)重破壞；框剪結(jié)構(gòu)中，底層柱的最大應(yīng)力為17.6 MPa；而剪力墻結(jié)構(gòu)中的局部墻體最大應(yīng)力為6.0 MPa，此數(shù)值為框架結(jié)構(gòu)相應(yīng)數(shù)值的24%，為框剪結(jié)構(gòu)的35%。

4 地下變電站主體結(jié)構(gòu)工程造價(jià)分析

工程造價(jià)是地下變電站主體結(jié)構(gòu)的選型過程中必須考慮的因素。除了主體結(jié)構(gòu)材料的費(fèi)用之外，設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮不同結(jié)構(gòu)形式下樓蓋高度引起層高增加而導(dǎo)致的附加費(fèi)用及結(jié)構(gòu)底板的造價(jià)等。

下面分別以兩個(gè)典型地下變電站為例，對(duì)上海、北京兩地區(qū)地下變電站主體結(jié)構(gòu)工程造價(jià)進(jìn)行分析和對(duì)比。

4.1 上海地區(qū)地下變電站主體結(jié)構(gòu)造價(jià)

以上海市濟(jì)南路220 kV地下變電站設(shè)計(jì)為母本，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)以及框架結(jié)構(gòu)三種地下變電站的結(jié)構(gòu)方案的造價(jià)進(jìn)行綜合性的對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 三種結(jié)構(gòu)形式總造價(jià)(上海)

Table 2 Total cost of three forms (Shanghai)

通過表2可以看出，對(duì)于上海地區(qū)的地下變電站，剪力墻結(jié)構(gòu)方案造價(jià)是框剪結(jié)構(gòu)方案的1.06倍，是框架結(jié)構(gòu)方案的1.15倍。

4.2 北京地區(qū)地下變電站主體結(jié)構(gòu)造價(jià)

以北京國家電網(wǎng)220 kV地下變電站通用設(shè)計(jì)為母本，討論剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)以及框架結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)方案的工程造價(jià)，結(jié)果如表3所示。

表3 三種結(jié)構(gòu)形式總造價(jià)(北京)

Table 3 Total cost of three forms (Beijing)

通過表3可以看出，對(duì)于北京地區(qū)的地下變電站，剪力墻結(jié)構(gòu)方案造價(jià)是框剪結(jié)構(gòu)方案的1.08倍，是框架結(jié)構(gòu)方案的1.20倍。

5 不同地區(qū)地下變電站主體結(jié)構(gòu)選型建議

根據(jù)不同地區(qū)工程造價(jià)、水文地質(zhì)條件和受力合理性等方面的差異，以及上述有限元計(jì)算分析結(jié)果，本節(jié)對(duì)地下變電站主體結(jié)構(gòu)的選型提出合理化建議。如前所述，鑒于北京、上海兩地區(qū)城市地位的特殊性和水文地質(zhì)條件的典型性，本節(jié)主要針對(duì)這兩地區(qū)的地下變電站主體結(jié)構(gòu)選型提出建議。

5.1 上海地區(qū)地下變電站主體結(jié)構(gòu)的選型

上海是典型的軟土地區(qū)，土層主要由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)組成，軟土的軟弱性和流變性均對(duì)上海地區(qū)的地下變電站結(jié)構(gòu)整體性能提出了很高的要求。此外，研究表明，軟弱土層中的淺埋地下結(jié)構(gòu)在地震時(shí)更易遭受嚴(yán)重破壞。

故而上海地區(qū)的地下變電站選型應(yīng)充分考慮該地區(qū)的水文地質(zhì)條件和抗震性能。

通過前面的計(jì)算和分析，綜合考慮上海地區(qū)的情況，總體上推薦上海地區(qū)的地下變電站使用剪力墻結(jié)構(gòu)，土層條件比較好的地段或其他對(duì)結(jié)構(gòu)有特殊要求的情況可以考慮使用框剪結(jié)構(gòu)，一般條件下最好不使用框架結(jié)構(gòu)。主要的理由有以下幾點(diǎn)：

(1) 剪力墻結(jié)構(gòu)雖然造價(jià)偏高，但其整體剛度大，整體性好，抵抗不均勻變形的能力強(qiáng)，抗震性能好，用于上海軟土高水位地區(qū)是非常合適的。且其造價(jià)也只是比框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高6%，比框架結(jié)構(gòu)高15%。

(2) 框剪結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能比剪力墻結(jié)構(gòu)稍差，綜合造價(jià)與剪力墻結(jié)構(gòu)相差不明顯，在土層條件比較好的地段或者結(jié)構(gòu)布置需要時(shí)可以考慮采用。

(3) 框架結(jié)構(gòu)剛度比剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)小，整體性比較差，在軟土地區(qū)抵抗豎向不均勻變形的能力差；框架節(jié)點(diǎn)抗震性能較差；地下變電站豎向荷載和水平水土荷載都非常大，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的截面尺寸要求很高，容易形成高梁和胖柱；而框架結(jié)構(gòu)往往因?yàn)閷痈邌栴}加大了基坑開挖的費(fèi)用，在總造價(jià)上也沒有特別明顯的優(yōu)勢(shì)，故在上海地區(qū)不推薦采用框架結(jié)構(gòu)。

5.2 北京地區(qū)地下變電站主體結(jié)構(gòu)的選型

北京地區(qū)土層是典型的北方硬土層，主要由第四紀(jì)沉積土構(gòu)成，部分地區(qū)埋藏有風(fēng)化巖層，其下部廣泛分布第三紀(jì)地層?？傮w來說，北京地區(qū)的土層可塑性好，便于施工。

通過前面的計(jì)算和分析，綜合考慮北京地區(qū)的情況，總體上推薦北京地區(qū)的地下變電站使用框剪結(jié)構(gòu)；在土層條件非常好的地方可以使用框架結(jié)構(gòu)，以節(jié)省造價(jià)；由于北京地區(qū)整體土層條件比較好，地下水位也不高，使用剪力墻結(jié)構(gòu)整體上偏保守，除非特別重要的地下變電站，一般不推薦使用剪力墻結(jié)構(gòu)。主要的理由有以下幾點(diǎn)：

(1) 剪力墻結(jié)構(gòu)整體剛度大，整體性好，抵抗不均勻變形的能力強(qiáng)，但在北京地區(qū)，由于整體土層情況較好，土質(zhì)較硬，雖近年來有南水北調(diào)工程，但總體地下水位依然不高，經(jīng)實(shí)測，北京多座地面總重超過20萬噸的超高層建筑結(jié)構(gòu)封頂時(shí)的總沉降一般也不會(huì)超過60 mm，而地下變電站加上活載的總重也不及10萬噸，所以總的沉降量不會(huì)很大，不均勻沉降也相應(yīng)較小。且剪力墻結(jié)構(gòu)造價(jià)比框剪結(jié)構(gòu)高8%，比框架結(jié)構(gòu)高20%。

(2) 在北京地區(qū)，框剪結(jié)構(gòu)基本上能夠滿足結(jié)構(gòu)抵抗不均勻沉降的要求，利用剪力墻豎向剛度大的特點(diǎn)承擔(dān)主要豎向荷載，利用框架柱對(duì)空間使用影響較小的特點(diǎn)將框架柱布置在電容室、電纜層等位置，可以解決梁的大跨度問題。

(3) 框架結(jié)構(gòu)最大優(yōu)勢(shì)在于造價(jià)低。一方面是結(jié)構(gòu)本身材料用量省，另一方面是層高增加引起的附加土方開挖費(fèi)用、基坑圍護(hù)費(fèi)用比上海地區(qū)要低得多。在地層特別好的地區(qū)，使用框架結(jié)構(gòu)，也不會(huì)引起太大的不均勻沉降。但是，框架節(jié)點(diǎn)應(yīng)做專門的抗震設(shè)計(jì)。

6 結(jié) 論

本文綜合性地利用了有限元軟件對(duì)地下變電站的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算，并考慮了“結(jié)構(gòu)—土體—抗拔樁”的共同作用，較為真實(shí)地反映了處于土體環(huán)境中的地下變電站結(jié)構(gòu)在施工階段、正常使用階段及地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。并根據(jù)有限元分析結(jié)果，依據(jù)北京、上海兩地的水文地質(zhì)條件、工程造價(jià)等因素，對(duì)這兩地的地下變電站主體結(jié)構(gòu)形式提出了合理化建議。得出的研究結(jié)論主要包括以下幾點(diǎn)：

(1) 在施工階段，剪力墻、框剪、框架三種結(jié)構(gòu)形式均能滿足抗浮要求；剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性最好，框剪結(jié)構(gòu)次之，最后是框架結(jié)構(gòu)。

(2) 在正常使用階段，剪力墻結(jié)構(gòu)的地基最大沉降量和差異沉降量都最小，框剪結(jié)構(gòu)次之，最后是框架結(jié)構(gòu)。

(3) 在抗震性能方面，剪力墻結(jié)構(gòu)和框剪結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)的框架柱往往是地震中最先破壞和破壞程度最嚴(yán)重的構(gòu)件。

(4) 工程造價(jià)方面，剪力墻結(jié)構(gòu)造價(jià)最高，框剪結(jié)構(gòu)次之，框架結(jié)構(gòu)最經(jīng)濟(jì)。

(5) 總體上推薦上海地區(qū)地下變電站使用剪力墻結(jié)構(gòu)，土層條件比較好的地段或其他對(duì)結(jié)構(gòu)有特殊要求的情況可以考慮使用框剪結(jié)構(gòu)，一般條件下最好不使用框架結(jié)構(gòu)。

(6) 總體上推薦北京地區(qū)地下變電站使用框剪結(jié)構(gòu)；在土層條件非常好的地方可以使用框架結(jié)構(gòu)，以節(jié)省造價(jià)；除非特別重要的地下變電站，一般不推薦使用剪力墻結(jié)構(gòu)。

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Selection and Analysis on Structural Types for Underground Substations

GAO Dongqi1,*CAO Linfang2XU Yizhi1JIANG Bo2LIU Shaobin1

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Shanghai Eclectic Power Design Institute Co., Ltd, Shanghai 200025, China)

Based on the characteristics of underground substations in Shanghai and Beijing areas, mechanical behaviors and seismic performances of different structural types were conducted by using the finite element analysis software Midas-GTS. Moreover, systematic analysis and discussion on the selection and optimization of main structural types for underground substations were presented.

underground substation, main structure, selection, finite element analysis

2013-11-20

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(5150011044)

*聯(lián)系作者，Email: dongqigao@126.com