安徽省110kV变电站门式框架结构技术设计研究

刘士李， 赵迎迎， 陈付雷， 方天睿， 韦海峰

(1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院,安徽 合肥 230071;2.安徽华电工程咨询设计有限公司,安徽 合肥 230022)

0 引 言

近年来，国家电网公司提倡的基于资源节约和环境友好理念的工业化变电站建设，旨在提高变电站建设的工业化水平，推动新技术、新材料和新工艺融入变电站建设中来。为此，电力行业设计院、高校科研院所等科研单位积极参与到变电站设计研究中[1-3]。装配式建筑在变电站建设中的应用取得了突飞猛进的发展。

关于装配式建筑在变电站建设中的应用，安徽省严格遵照国家电网公司的总体理念，进行标准化设计、工厂化加工以及模块化建设，侧重提高建设质量和效率[4-6]。以技术可行性为出发点，装配式建筑在变电站中主要应用于建筑物主体结构、建筑物维护墙体、构筑物(围墙、防火墙、电缆管、化肥池、事故油池、支架基础等)[7,8]。

目前安徽省装配式变电站现状为采用钢桁架楼板的现浇屋面结构，建筑物外墙采用纤维水泥板夹发泡混凝土复合轻质墙板，内侧采用免漆板装饰，建筑物内墙采用纤维水泥板夹发泡混凝土复合轻质墙板，两侧采用免漆板装饰，围墙采用采用纤维水泥板夹发泡混凝土复合墙体围墙。房屋主体结构的形式有钢框架、门式框架、薄壁轻钢结构体系等，为探索经济和技术最优化的装配式变电站结构形式，本文主要通过对门式刚架结构的变电站变电站房屋主体进行了结构形式、设计荷载和结构计算的研究，分析了该类型变电站结构的优缺点。

1 结构形式

变电站建筑物主体结构的结构形式主要包括现场浇筑混凝土结构变电站、预制装配式混凝土框架结构变电站、钢结构变电站三种结构形式。现浇混凝土结构不符合装配式建筑的设计理念，因此只有预制装配式混凝土结构和钢结构可以作为装配式变电站结构的备选型式。预制装配式混凝土结构在施工过程中涉及到湿作业、建设周期长于钢结构等不足,无法满足国家电网公司相关要求。本文所研究的门式刚架结构的轻型房屋，刚架可采用等截面或者变截面实腹结构，屋面采用轻型屋面，外墙为轻型外墙，房屋为单层。门式刚架结构的示意图如图1所示。

图1 门式刚架轻型房屋

门式刚架结构的轻型房屋，主要受力结构为框架主体。框架主体由钢结构相关厂家以组装部件的形式在工厂完成部件生产，部件运输到施工现场后以吊装方式通过螺栓连接完成组装。框架主体的示意图如图2所示。

图2 门式刚架

门式刚架通过螺栓连接实现现场组装，施工过程不涉及动火作业和湿作业。各刚架构件之间通过节点进行连接，主要的连接节点有柱脚节点、梁柱节点、梁梁拼装节点。其中，柱脚节点的连接形式如图3所示，包括铰接节点和刚接节点两大类。选择何种柱脚连接形式主要取决于结构整体荷载情况与抗震作用、风荷载等因素。通常，柱脚连接节点的连接形式是柱底板件与下部结构的预埋地脚螺栓相连接，下部基础通常为现浇基础。基础尺寸和基础埋深需要根据设计规范进行计算，其设计值与多种因素有关，包括上部结构的荷载、柱脚节点的连接方式、场地条件、地下水条件等。

图3 柱脚节点

2 荷载与结构计算

本次研究的对象为安徽省内变电站建筑物的主体结构，故依据安徽地区的具体情况进行荷载分析。根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB 51022-2015)中第4.2条及4.3条相关规定进行计算分析。门式刚架由于整体刚度偏低，因此风荷载、雪荷载等对其结构受力的影响较为显著，在计算时不可忽略。风荷载和雪荷载的设计频率为百年一遇。依据现有的国家标准，本次计算考虑的结构荷载包括恒载、活荷载、风荷载、雪荷载、温度荷载以及地震效应。恒载主要包括建筑自重，活载主要由建筑的使用控制。雪荷载、温度荷载、地震作用、风荷载等的取值参照相关国家标准执行[9,10]。安徽地区雪载、风载、地震作用、温度作用统计情况见表1。

表1 安徽地区荷载基本情况

安徽地区最大基本风压出现在亳州市,为0.55 kN/m2；最大基本雪压出现在霍山县，为0.75 kN/m2；最大抗震设防烈度出现在蚌埠市，为7度0.15g。

依据110-A1-2方案典设建筑布局建模。屋面设置女儿墙，结构高度、门窗位置均与典设一致。为了实现建筑立面美观，方便开窗和预留穿墙套管，结构设计未布置柱间支撑，而是将门刚结构柱脚采用刚接形式，该设计符合《建筑抗震设计规范》中第9.2.2条的规定和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB 51022-2015)中第6.13条的规定。为满足结构纵向受力，门刚结构体系在柱脚刚接的同时加强柱顶系杆。钢柱为H形型钢，截面尺寸为200 mm×300 mm；钢梁为H形型钢，截面尺寸为200 mm×400 mm。采用软件建立的有限元计算模型如图4所示。

图4 门式刚架结构有限元计算模型

依据合肥地区荷载情况输入荷载并计算，计算结果如图5～图7所示。

图5 钢结构应力比图(单位：mm2)

图6 弯矩包络图(单位：kN·m)

图7 恒载+活载位移图(单位：mm)

由以上计算结果可知，门刚结构由于屋面荷载轻、结构自重小，结构整体荷载水平相对较小，结构内力也相应较小，但是由于结构整体刚度较小，结构变形相对较大。

3 主要结论

(1)门刚框架结构构件截面尺寸比钢框架结构构件截面尺寸小，结构用钢量小。门式框架结构的柱脚截面对于钢框架结构构件截面小，可以减少基础短柱的截面尺寸，从而减少基础工程量。门刚结构柱脚节点、梁柱节点、钢梁拼接节点构造简单，施工安装速度快。

(2)门刚结构对雪荷载、风荷载敏感，当发生暴雪或者大风、龙卷风等极端天气时，结构的安全可靠性差。门式刚架结构本质为二维结构，结构整体性差，易产生局部破坏(单品刚架的破坏)而引起结构的整体破坏。门式刚架结构的刚度小，所以结构的变形、位移较大，对于变形要求严格的工业建筑适用性差。

(3)本文的研究结论可为装配式变电站的选型提供技术依据。