地下变电站地下结构有限元分析

辛侨

【摘 要】结合某220kV半地下变电站工程设计实例，通过有限元整体分析地下部分受力情况，并对结构薄弱位置进行复算检验。

【关键词】半地下变电站；扶壁柱；侧壁；底板；有限元分析；

1、 概述

随着国民经济的快速发展，大城市中心区用电负荷愈发密集，在此类地区设置变电站会面临用地紧张、征地困难、拆迁赔偿费用高和规划部门限高等困难，为解决上述问题，越来越多的建设方选择全地下变电站和半地下变电站方案。

地下变电站结构设计，面临的第一困难就是侧壁水平压力过大，本文将结合某220kV半地下变电站工程结构设计实例，通过有限元整体分析地下部分受力情况，并对结构薄弱位置进行复算检验。

2、 工程优化分析

2.1 工程概述

某220kV半地下变电站位于深圳市福田区，西面为新洲河，东面为莲花山，站址场地地下水常年水位-2m。该变电站地面以上二层，地面以下四层，地下室部分成品字形。变电站抗浮设计水位0m，地下室外墙采用钢筋混凝土墙和T型钢筋混凝土扶壁柱相结合的方案。由于本工程建筑形式复杂，有楼板大开洞、错层、跃层等，在侧向水土压力（最大处侧向压力达239kPa）作用下，整个结构体系受力比较复杂，因此有必要对地下部分做整体有限元分析。

根据本建筑结构形式及受力特点，有限元分析的主要研究目的有：

1. 检验扶壁及侧壁的安全性。

2. 检验薄弱部位楼板的安全性。

3. 检验梁在压弯工况下的安全性。

4. 检验侧向压力对框架柱的影响。

2.2 有限元模型

本结构主要的构件有侧壁及其扶壁柱、框架梁柱及各层楼板。对于扶壁柱及梁柱，采用beam188单元对其模拟，对于侧壁及楼板采用shell181单元对其模拟，两种单元均采用完全的自由度，能够较真实的模拟三维状态下的结构变形。图1为分别只显示了梁单元和壳单元的模型。为兼顾准确性及效率，并考虑网格的规整度，单元尺寸定为0.5m。所有单元均通过共用节点连接。

图1 梁单元模型

2.3 计算结果及分析

2.3.1 位移分析

侧壁及扶壁柱的变形与连续梁的假设还是较为接近，即12.5m标高～顶板的中部附近为最大位移出现的位置。大多数部位扶壁柱与侧壁呈现协同变形的状态，所以将侧壁简化为三边支撑板并不适合，而简化为单位板带的连续梁更为适宜。而在局部位置，如吊装孔及楼梯间，由于顶板开了孔洞及两边约束构件较强，侧壁呈现三边支撑板的状态。

2.3.2 内力分析

（1）梁轴压力

根据35kV～220kV城市地下变电站设计规定，当地下部分主体结构承受较大压力时，其梁板应计入轴向压力的影响，按压弯构件计算。梁轴力在樓梯间开孔附近与扶壁柱直接连接处较大，如-8m标高处8轴上的梁，在I轴和A轴处直接承受扶壁柱的挤压，轴压力分别达到了700kN，450kN，由于楼板的介入受力，梁轴力会逐渐减小。

（2）柱的弯矩及剪力分析

弯矩和剪力较大的地方为标高-2.1和-3处，由于错层造成的剪切效应，9轴上的柱在这个标高处，剪力和弯矩分别达到了560kN及370kN*m（均为整体坐标系X向）。此外，在沿整体坐标系Y向，只有9轴交B轴处的柱底部有一些剪力和弯矩，分别为100kN和200kN*m左右。

（3）侧壁的弯矩

侧壁的内力与位移分析中描述一致，除楼板开洞处外，侧壁的弯矩分布大致与扶壁柱一致，弯矩的最大值在底部支座及中间支座处。在楼板开洞处，侧壁呈三边支撑板的受力状态，在板的三边以及中部都有较大的弯矩。

（4）各层楼板的平面内内力

在-12.5、-8及-3m的板载角部及开孔边缘的应力较大，局部超出混凝土抗拉强度。-2.1及0.0m层的应力较大处集中在板边缘。0.0m层较小，接近混凝土抗拉强度，-2.1m层最大处接近3MPa。

2.3.3 构件截面复核

（1）扶壁柱截面复核

按支座条件不同对扶壁柱进行了归并，给出了4种扶壁柱的弯矩和轴力，考虑扶壁柱因恒载而产生的内力约为1000kN（扶壁柱自重），截面荷载效应（标准值）如下，分项系数均取1.35。与连续梁假设计算结果相比，FBZ-D此处计算结果稍大，而FBZ-C计算结果小的较多，其余相差不大。

配筋计算

部位 截面 FBZ-A

（FBZ12） FBZ-B（FBZ3） FBZ-C（FBZ4） FBZ-D（FBZ6）

底部支座 -3580kN*m -4300kN*m -4220kN*m -4680kN*m

920kN 1290kN 1570kN 1650kN

8215.63mm2 9838.34mm2 10266.27mm2 11006.29mm2

上跨跨中 1240kN*m 1370kN*m 2720kN*m 2120kN*m

-857kN -1170kN -2220kN -1920kN

配筋率控制 配筋率控制 配筋率控制 配筋率控制

（2）侧壁截面复核

侧壁两个方向的最大弯矩均发生在7～8轴交I轴处，由于楼梯间通高开洞，形成了8m*16m的矩形三边支撑板，在底部和两边分别有680kN*m/m和480kN*m/m的最大弯矩，跨中约为420kN*m/m。在其他三边支撑板的两侧支座及建筑转角处板边弯矩达到450kN*m/m左右，其余部位的弯矩不超过250kN*m，截面复核如下：

部位 弯矩（标准值） 板厚 计算配筋 实配 裂缝宽度

底部支座 680kN*m/m 800mm 3640mm2 32@120 0.200

两侧支座 480kN*m/m 800mm 2507 mm2 28@160 0.200

其余部位 250kN*m/m 800mm 1600 mm2 20@150 0.15

（3）楼板复核

楼板只在板角部等应力集中部位由较大的主拉应力，建议在这些部位加放射加强筋处理。另外，由两边楼板错层造成的剪切作用导致的9轴上-3～0.0的墙体上产生的弯矩，将会传至-3的楼板，所以-3楼板的板底有较大的拉应力如图2所示，楼板配筋时需考虑此弯矩，下部钢筋应按受拉钢筋锚入梁（墙）内。具体弯矩大小可按-3～0.0的墙体弯矩传至板上。

3、结论

对于地下变电站地下工程结构，采用本文方法具有下述优点：

（1）有限元分析有利于检验扶壁及侧壁的安全性、薄弱部位楼板的安全性和检验梁在压弯工况下的安全性。

（2）采用有限元程序Ansys对变电站的地下部分进行了有限元分析，力求尽可能少的做简化以及假设，还原结构本身的受力特点；

（3）计算结果以弯矩、轴力、剪力的形式输出，使结构的内力分布更加直观清晰，从而便于设计和施工单位使用；

（4）在cad技术应用已很普及和计算机存贮量已大大增加的条件下，采用本文提出的有限元计算模型和方法，并不至于给计算时的原始数据准备增添更多的工作量。