钢结构在变电站建筑的应用

张文超

佛山电力设计院有限公司

摘要：介绍了钢结构在变电站应用实例，分析了钢结构在变电站建筑上应用的优势以及存在的不足和解决方案。

关键词：变电站；建筑；钢结构；

随着城市建设及电网的飞速发展，变电站的建设也在不断发展。根据变電站建设中的节能、环保、抗震、标准化的要求，通过研究及应用，钢结构作为一种新型建筑材料，凭借其优越的特性，将逐渐成为变电站建筑发展的一个新方向。我国钢结构建筑市场发展只有十余年，还处于起步阶段，具有广阔的发展前景。美国、英国等国家钢结构建筑已有上百年历史，其工业化程度己经从工业化专用体系走向了大规模通用体系，很值得我们去借鉴学习。

一、钢结构在变电站应用实例

典型钢结构变电站一般采用主体建筑为钢结构，地下电缆夹层为钢筋混凝土结构。工程建筑面积和高度均可视变电站需求取相应数值，院内设有循环道路等附属设施。要求主厂房耐火等级达到Ⅰ级，抗震满足防烈度8度，建筑物设计使用年限达到50年。变电站分主厂房、GIS室、主变间。主厂房地上部分采用两层钢结构形式，地下部分是夹层，采用钢筋混凝土结构形式。主厂房地上一层设10 kV开关室、10 kV接地变室、警卫室等附属房间，主厂房地上二层设主控室、电容器室等。GIS室、主变间为单层钢结构厂房，与主厂房贴建。

钢结构部分设计要点：将上部钢框架结构的嵌固部位设在地下室顶板上，框架钢柱的柱脚采用基础预埋螺栓连接，基础为现浇钢筋混凝土梁式筏基，应注意基础螺栓在柱内及顶板梁上预埋时质量控制。结构安装焊接质量控制采用现场超声波检测。变电站工程的楼板采用组合结构，楼板采用压型钢板上现浇混凝土的组合楼板。外墙采用加气混凝土砌块，外墙装饰材料采用铝单板，焊接安装牢固整体性好、不易脱落、美观大方。

二、钢结构在变电站应用的优势

钢结构与钢筋混凝土结构相比，在使用功能、材料性能、受力特点、设计、施工工艺和工期、环保节能以及综合经济方面都具有优势，变电站建筑应用钢结构的优势主要表现在以下几个方面。

1、钢结构材料自重轻而承载力高

钢结构材料与钢筋混凝土材料相比，具有自重轻而承载力高的特点。据资料显示，钢结构强度重量比的指数是钢筋混凝土的5倍以上。钢材的抗拉、抗压、抗剪强度相对较高，截面的选择可以相对较小，从而可显著减轻结构自重。一般情况下，钢筋混凝土建筑物的自重在1.5～2.0 t/m2左右，钢结构建筑自重大多在1.0 t/m2以下，相差近2倍，减轻自重的优势明显。在承受荷载条件相同时，钢结构自重轻，基础承担的荷载也相应减少，可降低基础及基础处理造价，一定程度上缩短了建设工期。

2、抗震性能好

在国外的部分地震区里大部分建筑是以钢结构为主，主要原因就是钢结构具有良好抗震性能。按抗震设计规定：弹性计算阶段的高层结构层间位移限制，对钢筋混凝土结构规定为h/550，而对钢结构则可放宽至h/300，二者相差约1.8倍。可见钢结构建筑整体性好，抗震性能好，与钢筋混凝土相比在强度、韧性、延性、强度质量比上都具有优势。钢结构用于变电站建筑可充分发挥钢结构的优势，使建筑具有优良的抗震抗风性能，大大提高变电站的安全可靠性。钢结构建筑能够满足抵御烈度为8度的强烈地震的破坏，符合我国对变电站抗震《建筑抗震设计规范》、《建筑工程抗震设防分类标准》、《电力设施抗震设计规范》规定的要求。

3、施工实现标准化作业，易于质量控制，并有效减少现场作业工期

钢结构材料除基础按照传统结构形式进行建造外，其它全部实现了工厂预制和现场装配化施工，实现了工业化运作，影响材料质量因素大大减少，质量监督控制较容易，便于形成标准的建筑体系，实现了构件的工厂化和施工的机械化。变电站一般为2-3层建筑，钢结构工程可取一个施工段，在现场一次吊装作业，同时楼板采用钢板作为浇注混凝土模板的组合式楼板，作业流程简单，施工快捷，节省搭设脚手架和模板工序，并且各分项工程可以同时进行施工而互不影响，节省了时间和劳动力，现场工作量明显减少，现场吊装作业如图1所示。

4、分割布置灵活，能合理利用空间

传统的钢筋混凝土结构由于材料自重大，限制了空间尺寸，如果跨度过大，就会出现梁高、柱大、板厚的现象。而钢结构柱及轻质围护分隔墙体自身占用面积较小，可以减少房屋结构占用的建筑面积，从而增加建筑物内有效使用面积，即相同的占地面积产生更多的使用面积。同时利用钢材的高强度重量比特点，采用跨度较大开间设计，使建筑平面能够合理分隔，灵活方便，满足相同结构类型变电站安装不同设备的需要。

5、环保节能

钢结构建筑构件大多采用工厂化加工、运输到现场装配，构件采用焊接或螺栓连接，如变电站安装电气设备一样，随时购买，随时安装。因此施工占地少，大量减少混凝土等湿式作业，取而代之的干式施工无污染，无燥音，避免了湿式施工造成的环境污染和噪声污染。使用寿命到期时，钢材是可以100%回收再利用资源，旧ASA板材拆除回收经粉碎可以生产新的ASA板材，完全符合当今环保概念的要求。正是因为钢结构与其它结构形式相比具有如上优点，钢结构才能在当今建筑工程中的应用取得突飞猛进的发展。

三、钢结构存在的不足及解决方案

钢结构在建筑应用中尽管有很多优势，但它仍存在一些弱点，需要采取相应措施予以改进。

1、钢结构的防火问题

耐火性弱决定了钢结构必须采取防火措施。钢结构建筑的梁、柱、屋架大多采用钢材，是建筑的骨架，直接关系到整个建筑的安全，钢材虽然是不燃材料，但是会随着温度的变化，其力学指标会发生很大的改变，承载力和平衡稳定性会随温度升高而大幅度下降。钢结构在温度达到350 ℃、500 ℃、600 ℃时，其强度分别下降1/3、1/2、2/3，在高温条件下其内部应力也会发生改变，使钢结构承重体系出现问题。按照理论计算，在全负荷下，钢结构失去平衡稳定性的临界温度为500 ℃，一般火场温度都在800～1000 ℃左右，在这样的高温条件下，无任何保护的钢结构很快就会出现塑性变形倒塌。

目前钢结构通常有三种防火保护方法：喷涂法，包敷法，水淋冷却法，变电站的耐火等级一般为Ⅰ级，可根据具体情况选出最适合的钢结构防火保护方法，符合《建筑设计防火规范》的要求，做到既安全又经济。变电站可选用喷涂法达到防火保护作用，但会使钢结构表面变得粗糙，同时还会增加钢结构的承重。可以适当考虑包敷法。

2、钢结构的防腐蚀问题

钢结构不耐腐蚀是另一个主要缺陷，这也是钢自身特性所决定的。目前钢结构通常有五种防腐保护方法：耐候钢、热浸锌、热喷铝（锌）复合涂层、涂层法、阴极保护法。由于变电站设计使用年限一般为50年，因此，在选择钢结构防腐时一定要考虑长效的防腐方法，热喷铝（锌）复合涂层是一种比较好的变电站防腐解决方法，它是通过一定工艺使钢结构表面形成一种复合涂层，达到防腐效果。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制。另一个优点是这种工艺的热影响是局部受约束的，不会产生热变形。另外，在防腐处理之前应对钢构件表面进行完全地清理（机械处理法），否则会影响涂层和构件的结合和防腐，影响使用寿命。

3、变电站特殊需求决定钢结构变电站的特殊性

与其它钢结构建筑物不同，变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能的电力设施，决定了变电站要设置大量埋件来安装设备，要有大量线缆、埋管穿梭于各个设备间，要有很多设备开洞等来满足今后设备的安装、运行要求。目前主要利用钢柱、钢梁设置并可包裹在板材之内的解决方案。在设置较大荷载埋件时须采用混凝土结构形式时，应尽量减少现场混凝土的施工作业。管线敷设可采用在墙体上开槽暗敷埋设，最后进行墙体粉刷，使墙体表面平整，应尽量减少线槽敷设的明敷形式。

四、结束语

实践证明，钢结构具有良好的性能，是今后理想的建筑材料。随着钢结构技术的不断成熟，提倡环保和节能的今天，钢结构在建筑工程中的应用将得到更大的发展，也必将在变电站建筑中得到很好的应用。