全户内变电站生产综合楼结构设计

付艳伟，邱昌胜，张爱民

(国核电力规划设计研究院，北京 100094)

1 概况

随着我国经济的快速发展，人们对环境的要求越来越高，对于变电站的建筑外型等有了较高的要求，设计难度也远较常规变电站高。某供电公司220kV变电站位于某市高新开发区内，基于和周围环境协调的规划要求，业主要求将变电站中变压器、GIS等全部电气设备以及水泵房等附属设备均设在一个生产综合楼内，因此布置远较普通的变电站复杂，国内同类建筑也较为少见。其建筑效果图见图1：

图1 建筑效果图

图2 典型平面布置图

图3 典型断面图

从上述平面和断面可以看出结构布置复杂，有做半地下室结构、大空间结构、错层、挂线独立柱等非规则复杂结构。

对于复杂结构设计，简单的手算复核已不可能，人们一般都依靠软件分析计算，甚至直接用软件出图，目前常用的设计软件都是填一套参数，就出一种结果，如果参数和结构模型设置不正确，分析的结果就有很大的差别，我们常用的PKPM系列软件更是如此，因此计算模型和软件参数的正确与否、计算结果的判断和后处理是关系到工程设计的安全和质量的重要因素。本文就从上述几个方面展开论述，希望能对类似结构设计有所帮助。

2 结构设计应用

2.1 半地下室结构设计

随着变电容量的不断增大，变电站进出电缆不仅数量在增加，而且电缆直径也在变大，受电缆沟高度和宽度的限制，工人敷设电缆非常困难。因此，设置电缆沟已经远远无法解决问题，于是一般采用露出地面1.2～1.5 m的半地下室形式[1]，基础采用带护壁筏基的形式。这既能利用半地下室做电缆夹层，又能满足电缆层通风和采光的要求，便于室内外电缆敷设和维护。

对于带地下室的结构来说，地下室与回填土的作用应该是相互的。鉴于目前规范的反应谱理论是基于刚性地基假定的，因此带地下室的建筑建模一般采用两种方法：A、嵌固位移法，即约束地下室的水平位移，地下室水平位移为0，将地下室的所有节点的Dx、Dy位移约束住；B、弹簧刚度法，将地下室的侧墙节点加弹簧支撑或弹性支撑连接，此时弹簧的刚度可取很大或按照侧土的横向基床反力系数取用。

对于半地下室来说，若按照全嵌固，即约束地下室的水平位移。由于采用筏板基础，为保证荷载有效传递至基础上的需要和地下室局部露出地面，而且露出部分无侧土约束，因此必须采用整体计算的方式，可合理考虑地下室的刚度。

合理考虑地下室刚度比较简单，可以真实地将地下室部分与上部构件一起建模，建立一个包括上部结构和地下室所有构件在内的综合模型，很容易实现。但是确定水平弹簧刚度的具体取值，是一项非常困难的工作。回填土对地下室本身有约束作用，但是由于影响这种约束作用的因素很多，从目前的文献资料[2]来看，很难确定约束作用的大小。目前在SATWE软件中，没有直接要求用户输入水平弹簧刚度的真实数值，而是间接地要求输入“回填土对地下室约束作用的相对(弹簧)刚度比” [3]，其含义是回填土的约束刚度与地下室本身侧移刚度的比值。若取相对刚度比为零，则表示不考虑回填土的约束刚度；若取相对刚度比为5.0或更大，则计算结果与嵌固各层地下室顶板水平位移效果一致。对于一般工程，取相对刚度比在2～4之间，比较合适。Satwe 软件给出的地下室水平位移约束隐含值为3.0，就是根据上述分析经验确定的。对于半地下室的生产综合楼来说，这个约束值应该做一下调整，最好针对不同的方案布置情况，调整取值、对比结果，按最不利计算。

应当指出，SATWE软件虽然可以计算侧向土和水压力对地下室外墙的作用，但是程序是将水平方向的不均匀荷载简化为均布荷载，并采用简化计算方法，因此它的计算结果存在一定的误差。建议对于地下室外墙按照挡土墙进行验算，复核配筋及侧墙对基础传递的荷载等。

2.2 结构的抗震设计

生产综合楼的结构设有大空间和错层，而且由于变压器室之间必须设置防火墙，因此若考虑采用框排架结构，则防火墙的设置就较为困难，因此，本工程选用钢筋混凝土框架结构。

现浇钢筋混凝土楼板在整体结构中起协调竖向构件共同受力的作用，错层结构由于楼板不连续，会引起构件内力分配及地震作用沿层分布的复杂化，易形成不利于结构抗震的短柱和矮墙。在工业建筑中，最好和工艺专业紧密配合，尽量少设置错层，当错层高度，不超过框架梁高时，应按照一层进行计算，错层高度较高时，才设置标准层。

不规则结构在条件允许和可能的情况下，尽量采用受力合理、规则对称的设计方案，避免采用严重不规则的设计方案，这是对结构不规则性控制的最有效手段。在结构计算不满足规范要求、差别较大时，不应当简单的调整计算参数或放大地震力，而应当首先修改结构方案。

下面重点谈一下，这种结构的电算设置：

⑴ 结构方案调整：调整结构方案，减少结构平面布置的不规则性和构件刚度的不均匀性，避免过大偏心导致结构较大的扭转效应，加强结构抗扭刚度是控制结构扭转效应的重要途径，应尽量加强结构周边的刚度，设计中，由于变压器室侧框架刚度较小，故调整了变压器侧柱子截面布置，以增加抗扭刚度，计算结果表明结构的周期比和位移比均满足规范要求，方案调整是成功的。

⑵ 振型数量：为保证抗震计算结果准确，必须选取足够多的振型数量，使有效质量数大于0.9，对于不规则的建筑结构，特别是具有弹性楼板、楼板大开洞、错层等结构，由于有质量贡献的自由节点数大大增加，选择的振型数也必须大大增加。

⑶ 分析方法：由于结构存在楼板不连续、开大洞错层等，不符合刚性楼板假定时，应采用弹性楼板假定计算地震作用。

⑷ 错层结构：错层结构层高不一致，使有关楼层间的控制参数，如层间位移比、层间刚度比等计算失真，因此不能机械地直接采用这些数据，而应加以分析判断和手工校核，确定其是否合理，并进行必要的变通和调整处理，另外需要注意的是Satwe软件无自动搜索分析短柱的功能，需要设计人员自己采取特别的加强措施。

3 对电算设计的认识

通过本工程和其他的类似工程的设计，谈一下我对电算程序的认识及如何判断结构电算结果的合理性问题。

3.1 计算机分析结果的认识

《建筑抗震设计规范》[4]3.6.6条规定，“所有计算机计算结果，应经分析判断确认其合理、有效后方可用于工程设计。”《混凝土结构设计规范》[5]5.1.6条规定：“对电算结果，应经判断和校核；在确认其合理有效后，方可用于工程设计。”这些文献的规定，说明人在设计中的重要性，计算分析是根据结构的力学模型进行的，采用简化的荷载和模型，实际结构是有差异的，必须清醒地认识到，电算分析只有合理的模型和结果，没有绝对正确的。

完成复杂结构设计任务，要清楚软件的适用范围，计算模型的假定和适用条件，对计算结果要进行判断，合理有效后，才可用于工程设计。要提倡概念设计，强调人的主导作用，计算机仅为辅助设计手段，设计人员的地位和作用是不可替代的。

3.2 如何判断电算结果的合理性

⑴ 对总体结构的分析判断，主要考虑以下几个方面。

①所选软件是否适用，使用是否恰当，是否满足软件假定，结构模型是否正确，软件参数设置是否合理。

②结构振型、周期、位移等参数是否满足规范要求。

③结构地震作用沿结构高度的分布是否合理，参震质量及楼层地震剪力等是否满足规范要求。

④对复杂结构应采取多模型分析，避免单一计算模型带来的差错。

⑤与已建成熟工程进行比较。

⑵ 对局部构件的分析判断，主要考虑以下几个方面。

①截面尺寸是否满足设计要求，配筋是否超筋，是否满足使用极限状态和应力强度极限状态的要求。

②受力复杂的构件，其内力和应力分布是否与力学概念、工程经验一致，是否采取了有效的加强措施。

③构件的内力和配筋是否满足规范抗震措施的要求。

4 结论

⑴ 带半地下室的结构必须整体建模计算，且可适当考虑土的约束作用。SATWE软件对这种承受平面外的力作用的地下室侧壁分析，有一定的误差，必须采用其他软件进行验算。

⑵ 错层、大开间、楼板局部大开洞的复杂结构抗震设计，首先须合理的设置结构抗扭刚度，减少扭转效应，并选取足够的振型数量和其他合理的参数设置，并对结果进行合理有效性分析后，才可用于设计。

⑶ 电算是设计的重要部分，总结了我对电算的一些认识，强调人在设计中的重要性，电算仅是辅助设计。

[1]GB50011-2001 建筑抗震设计规范[S].

[2]GB50010-2002 混凝土结构设计规范[S].