劉士李， 趙迎迎， 陳付雷， 方天睿， 韋海峰

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,安徽 合肥 230071;2.安徽華電工程咨詢設(shè)計(jì)有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引 言

近年來，國家電網(wǎng)公司提倡的基于資源節(jié)約和環(huán)境友好理念的工業(yè)化變電站建設(shè)，旨在提高變電站建設(shè)的工業(yè)化水平，推動(dòng)新技術(shù)、新材料和新工藝融入變電站建設(shè)中來。為此，電力行業(yè)設(shè)計(jì)院、高?？蒲性核瓤蒲袉挝环e極參與到變電站設(shè)計(jì)研究中[1-3]。裝配式建筑在變電站建設(shè)中的應(yīng)用取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

關(guān)于裝配式建筑在變電站建設(shè)中的應(yīng)用，安徽省嚴(yán)格遵照國家電網(wǎng)公司的總體理念，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工以及模塊化建設(shè)，側(cè)重提高建設(shè)質(zhì)量和效率[4-6]。以技術(shù)可行性為出發(fā)點(diǎn)，裝配式建筑在變電站中主要應(yīng)用于建筑物主體結(jié)構(gòu)、建筑物維護(hù)墻體、構(gòu)筑物(圍墻、防火墻、電纜管、化肥池、事故油池、支架基礎(chǔ)等)[7,8]。

目前安徽省裝配式變電站現(xiàn)狀為采用鋼桁架樓板的現(xiàn)澆屋面結(jié)構(gòu)，建筑物外墻采用纖維水泥板夾發(fā)泡混凝土復(fù)合輕質(zhì)墻板，內(nèi)側(cè)采用免漆板裝飾，建筑物內(nèi)墻采用纖維水泥板夾發(fā)泡混凝土復(fù)合輕質(zhì)墻板，兩側(cè)采用免漆板裝飾，圍墻采用采用纖維水泥板夾發(fā)泡混凝土復(fù)合墻體圍墻。房屋主體結(jié)構(gòu)的形式有鋼框架、門式框架、薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)體系等，為探索經(jīng)濟(jì)和技術(shù)最優(yōu)化的裝配式變電站結(jié)構(gòu)形式，本文主要通過對門式剛架結(jié)構(gòu)的變電站變電站房屋主體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)荷載和結(jié)構(gòu)計(jì)算的研究，分析了該類型變電站結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)形式

變電站建筑物主體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要包括現(xiàn)場澆筑混凝土結(jié)構(gòu)變電站、預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)變電站、鋼結(jié)構(gòu)變電站三種結(jié)構(gòu)形式。現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)不符合裝配式建筑的設(shè)計(jì)理念，因此只有預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)可以作為裝配式變電站結(jié)構(gòu)的備選型式。預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中涉及到濕作業(yè)、建設(shè)周期長于鋼結(jié)構(gòu)等不足,無法滿足國家電網(wǎng)公司相關(guān)要求。本文所研究的門式剛架結(jié)構(gòu)的輕型房屋，剛架可采用等截面或者變截面實(shí)腹結(jié)構(gòu)，屋面采用輕型屋面，外墻為輕型外墻，房屋為單層。門式剛架結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示。

圖1 門式剛架輕型房屋

門式剛架結(jié)構(gòu)的輕型房屋，主要受力結(jié)構(gòu)為框架主體?？蚣苤黧w由鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)廠家以組裝部件的形式在工廠完成部件生產(chǎn)，部件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后以吊裝方式通過螺栓連接完成組裝?？蚣苤黧w的示意圖如圖2所示。

圖2 門式剛架

門式剛架通過螺栓連接實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場組裝，施工過程不涉及動(dòng)火作業(yè)和濕作業(yè)。各剛架構(gòu)件之間通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，主要的連接節(jié)點(diǎn)有柱腳節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)、梁梁拼裝節(jié)點(diǎn)。其中，柱腳節(jié)點(diǎn)的連接形式如圖3所示，包括鉸接節(jié)點(diǎn)和剛接節(jié)點(diǎn)兩大類。選擇何種柱腳連接形式主要取決于結(jié)構(gòu)整體荷載情況與抗震作用、風(fēng)荷載等因素。通常，柱腳連接節(jié)點(diǎn)的連接形式是柱底板件與下部結(jié)構(gòu)的預(yù)埋地腳螺栓相連接，下部基礎(chǔ)通常為現(xiàn)澆基礎(chǔ)。基礎(chǔ)尺寸和基礎(chǔ)埋深需要根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，其設(shè)計(jì)值與多種因素有關(guān)，包括上部結(jié)構(gòu)的荷載、柱腳節(jié)點(diǎn)的連接方式、場地條件、地下水條件等。

圖3 柱腳節(jié)點(diǎn)

2 荷載與結(jié)構(gòu)計(jì)算

本次研究的對象為安徽省內(nèi)變電站建筑物的主體結(jié)構(gòu)，故依據(jù)安徽地區(qū)的具體情況進(jìn)行荷載分析。根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)中第4.2條及4.3條相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算分析。門式剛架由于整體剛度偏低，因此風(fēng)荷載、雪荷載等對其結(jié)構(gòu)受力的影響較為顯著，在計(jì)算時(shí)不可忽略。風(fēng)荷載和雪荷載的設(shè)計(jì)頻率為百年一遇。依據(jù)現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)，本次計(jì)算考慮的結(jié)構(gòu)荷載包括恒載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載以及地震效應(yīng)。恒載主要包括建筑自重，活載主要由建筑的使用控制。雪荷載、溫度荷載、地震作用、風(fēng)荷載等的取值參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[9,10]。安徽地區(qū)雪載、風(fēng)載、地震作用、溫度作用統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 安徽地區(qū)荷載基本情況

安徽地區(qū)最大基本風(fēng)壓出現(xiàn)在亳州市,為0.55 kN/m2；最大基本雪壓出現(xiàn)在霍山縣，為0.75 kN/m2；最大抗震設(shè)防烈度出現(xiàn)在蚌埠市，為7度0.15g。

依據(jù)110-A1-2方案典設(shè)建筑布局建模。屋面設(shè)置女兒墻，結(jié)構(gòu)高度、門窗位置均與典設(shè)一致。為了實(shí)現(xiàn)建筑立面美觀，方便開窗和預(yù)留穿墻套管，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)未布置柱間支撐，而是將門剛結(jié)構(gòu)柱腳采用剛接形式，該設(shè)計(jì)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中第9.2.2條的規(guī)定和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)中第6.13條的規(guī)定。為滿足結(jié)構(gòu)縱向受力，門剛結(jié)構(gòu)體系在柱腳剛接的同時(shí)加強(qiáng)柱頂系桿。鋼柱為H形型鋼，截面尺寸為200 mm×300 mm；鋼梁為H形型鋼，截面尺寸為200 mm×400 mm。采用軟件建立的有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 門式剛架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

依據(jù)合肥地區(qū)荷載情況輸入荷載并計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖(單位：mm2)

圖6 彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

圖7 恒載+活載位移圖(單位：mm)

由以上計(jì)算結(jié)果可知，門剛結(jié)構(gòu)由于屋面荷載輕、結(jié)構(gòu)自重小，結(jié)構(gòu)整體荷載水平相對較小，結(jié)構(gòu)內(nèi)力也相應(yīng)較小，但是由于結(jié)構(gòu)整體剛度較小，結(jié)構(gòu)變形相對較大。

3 主要結(jié)論

(1)門剛框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸比鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸小，結(jié)構(gòu)用鋼量小。門式框架結(jié)構(gòu)的柱腳截面對于鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小，可以減少基礎(chǔ)短柱的截面尺寸，從而減少基礎(chǔ)工程量。門剛結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)、鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單，施工安裝速度快。

(2)門剛結(jié)構(gòu)對雪荷載、風(fēng)荷載敏感，當(dāng)發(fā)生暴雪或者大風(fēng)、龍卷風(fēng)等極端天氣時(shí)，結(jié)構(gòu)的安全可靠性差。門式剛架結(jié)構(gòu)本質(zhì)為二維結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)整體性差，易產(chǎn)生局部破壞(單品剛架的破壞)而引起結(jié)構(gòu)的整體破壞。門式剛架結(jié)構(gòu)的剛度小，所以結(jié)構(gòu)的變形、位移較大，對于變形要求嚴(yán)格的工業(yè)建筑適用性差。

(3)本文的研究結(jié)論可為裝配式變電站的選型提供技術(shù)依據(jù)。