±800 kV特高压换流站钢框架主控制楼结构设计

雷 蕾，李 昱，张玉明，钟炜辉

(1. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075；2. 国家电网有限公司直流建设分公司 ，北京 100054；3. 西安建筑科技大学，陕西 西安 710055)

0 引言

目前，我国已进入特高压电网大规模建设时期。为积极响应 “标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的工程建造理念，积极推广和发展绿色建筑，提高建筑工程质量，换流站中的建(构)筑物优先采用工厂加工、现场组装的装配式结构，有利于加快施工速度减少现场湿作业，切实将节地、节能、节水、节材和环境保护等绿色理念融入到电网工程建设中[1-2]。

主(辅)控制楼是特高压换流站中重要的建筑物，结构形式可采用钢结构和钢筋混凝土框架结构[3-5]。从国内第一座特高压换流站工程开始，截至目前，仅有±800 kV某特高压换流站控制楼采用了钢框架方案。该换流站位于宁夏回族自治区，地震设防烈度为8度。与钢筋混凝土框架填充墙结构相比，在高烈度区采用钢结构，自重轻，对地震作用敏感性低，是一种很好的抗震结构形式；站址位于西北寒冷地区，钢结构为天然的装配式结构，不受冬季施工影响，有利于缩短建造周期并灵活调整施工时间；同时，钢结构对环境污染小、回收价值高，符合国家绿色建筑发展的要求；主控制楼与低端阀厅毗邻，有各种通道及电缆走廊，无支撑纯钢框架开洞可灵活布置，故该特高压换流站主控制楼优先采用无支撑纯钢框架的结构形式，有良好的经济性和适用性。

本文结合此±800 kV特高压换流站的设计条件，重点阐述了高烈度地震区钢结构房屋的结构设计流程和方法，尤其是对地下结构设计、节点设计提出了具体建议，为同类特高压换流站工程主控制楼采用钢结构设计提供借鉴。

1 建筑方案及工艺布置

该换流站主控制楼为3层钢框架，与两极低端阀厅毗邻，建筑总面积3 656 m2，建筑高度16.20 m，层高自下而上分别为5.40 m、6.00 m、4.80 m，主控制楼三维建筑模型如图1所示。根据工艺布置，地下一层局部设有电缆夹层，1层～3层布置有阀组设备室及配电室、阀厅空调设备间、通信机房、蓄电池室、检修工具间、控制保护设备室。

图1 主控制楼三维建筑模型

2 结构选型

该换流站主控制楼抗震设防类别为重点设防类(乙类)，按提高一度采取抗震构造措施[6]。根据平面布置，该换流站主控制楼纵横两个方向跨度相近，采用主梁与箱型钢柱刚性连接的纯钢框架形成空间体系，楼(屋)面板以压型钢板作为永久性底模，其上浇筑混凝土，形成整体性非组合楼板，节省了临时模板，且省去了拆除模板的工作。因此，主控制楼采用箱型截面钢柱、焊接工字钢梁、压型钢板作底模的非组合楼板、砌体围护的无支撑纯钢框架，柱脚采用外包式柱脚刚性连接[7]。

3 结构分析

3.1 设计依据及参数

±800 kV某特高压换流站主控楼设计参数如表1所示。

表1 ±800 kV某特高压换流站主控楼设计参数

根据GB/T 50789—2012《±800 kV直流换流站设计规范》、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范(2016年版)》及本工程施工图阶段《岩土工程勘查报告书》[8]，主控制楼结构设计参数如表1所示。楼屋面活荷载依据GB/T 50789—2012《±800 kV直流换流站设计规范》表8.3.2取值。

3.2 地下结构设计

3.2.1 框架柱基础选型

根据该换流站施工图阶段《岩土工程勘查报告书》，地下水位大于20 m，不考虑地下水对设计和施工的影响。结合其场平图，主控制楼主要位于挖方区，以②-1强风化砂岩或②-2中风化砂岩为持力层，挖方区地基承载力特征值fak= 350 kPa，西北角局部未到②砂岩层时采用C15素混凝土换填。基底下无软弱土层，故主控制楼采用天然地基，基础根据建筑平面布置采用柱下独立基础或双柱联合基础。

3.2.2 -0.05 层框架设计

主控制楼首层层高5.40 m，基础顶面标高-2.20 m，则首层结构计算高度为7.60 m，经过计算，首层弹性层间位移角限值不满足规范要求的1/250，故在-0.05 m层设置一层框架梁板，与钢柱的外包混凝土短柱形成框架结构，以减小首层框架柱的计算长度，增加结构侧向刚度，减小位移比及层间位移角，该层框架梁板兼做地下电缆夹层楼盖结构。但需注意的是，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范(2016年版)》第6.1.3条“当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同。”−0.05 m层的现浇梁板及外包式柱脚的设置作为上部结构的嵌固部位，其以下不计算风荷载，但地下一层的抗震等级应与上部结构相同，即为一级[9]。

3.2.3 电缆夹层短柱设计

主控制楼上部结构采用钢框架，可适当增大柱距减少钢柱数量，有利于形成大空间并增加空间使用的灵活度。如前所述，在-0.05 m层设置一层框架梁板，大跨度的电缆夹层混凝土梁降低了梁底的电缆使用空间，如要满足工艺要求，则电缆夹层底板埋置较深，以致于与其连接的室外电缆沟很深。本工程结合工艺布置，在跨度较大的梁下、电缆夹层内设置300 mm×300 mm短柱以减小−0.05 m层梁的高度(如图2所示)。短柱刚度较小，并不能对框架梁形成固端约束，宜按连续支座考虑，将短柱顶端释放约束。短柱抗震构造措施的抗震等级采用三级[10]，下设独立基础。

3.2.4 局部电缆夹层设计

主控制楼地下电缆较多，为方便电缆敷设、运行巡视，换流站主控制楼采用地下电缆夹层结构。

该工程地基承载力高，无软弱下卧层，地下水位大于20 m，故电缆夹层与主结构脱开设计，设缝30 mm，用沥青麻丝填充。侧壁为钢筋混凝土墙，下设条形基础，计算模型简化为悬臂结构，即下端固接，上端悬臂，墙体配筋及挠度考虑室外地面活荷载产生的侧压力及室外侧地基土侧压力，结构受力合理，传力清晰。以此进行基础抗倾覆稳定计算并选定条形基础底面尺寸。

一层布置有低端阀组冷却设备室、交流配电室及辅助设备室，内设屏柜及干式变压器，电缆层深度较常规变电站大，钢支撑结构支架较高。该工程-0.05 m层楼板为电缆夹层顶板，取代钢支撑＋防静电活动地板的形式，变压器及屏柜基础由主控制楼主体框架结构承担，避免了由于地基不均匀沉降可能引起的电气屏柜倾斜。电缆夹层剖面如图2所示。

图2 电缆夹层剖面图

3.3 上部结构设计

3.3.1 结构计算模型

主控制楼通过采用PKPM软件进行空间建模计算，结构计算模型如图3所示。

图3 主控制楼结构计算模型

3.3.2 计算结果分析

各层计算结果汇总如表2所示。

表2 各层计算结果汇总表

由表2可知：1)周期比0.79＜0.9，表明结构抗侧力构件布置合理。2)最小剪重比0.076 8＞楼层最小地震剪力系数值0.032，满足《建筑抗震设计规范》[9]第5.2.5条强制性条文要求。3)刚重比最小值36.66＞5，满足JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》第6.1.7条规定的钢结构的整体稳定性且计入重力二阶效应。4)结构竖向构件的最大水平位移与平均水平位移的比值为1.14，小于JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》表3.3.2-1规定的1.2，表明结构的抗侧力构件平面布置规则、无侧向刚度和承载力的突变。5)最大层间位移角为1/283，小于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范(2016年版)》表5.5.1规定的1/250，表明结构满足舒适度要求。

4 节点设计

4.1 局部楼板错层设计

为满足不同房间功能使用要求及电缆通道的畅通，主控制楼多处采用了不同高度的楼板错层布置(如图4所示)，在计算模型中通过调整梁顶及板顶标高加以实现，以计算由此形成的短柱抗弯及抗扭能力；采用总刚分析方法计算地震力，并计入双向地震作用。由于工艺要求使结构错层，框架钢梁要适当增加高度，具体节点形式如图5所示。

图4 楼板错层高度布置

图5 楼板错层节点图

4.2 两种刚接节点的应用

如前所述，主控制楼采用箱型柱与框架梁刚接，刚接通常采用柱贯通型。本工程采用了两种梁与柱的刚接，如图6所示，图6(a)为梁端与柱的连接全部采用焊缝连接，悬伸梁与柱的连接按梁与柱刚接进行设计，悬伸段应设在内力较小的位置，一般设在距梁端1.0 m左右；而悬伸梁与中间区段梁的连接，按梁与梁的拼接即梁截面面积的等强度条件进行设计；图6(b)为框架梁与柱栓焊混合连接。对于跨度小于3.0 m的梁，考虑到方便运输，该工程选用了图6(b)的连接形式，其余均采用图6(a)的连接形式。

图6 梁柱刚接连接形式

5 技术经济分析

笔者分别从空间尺寸、经济指标及施工周期对该工程主控制楼采用钢框架和钢筋混凝土框架两种结构形式的设计结果进行了对比，如表3～表5所示。

表3 两种结构形式空间尺寸对比表

表4 两种结构形式经济指标对比表

表5 两种结构形式施工周期对比表

通过以上对比分析可以看出：1)同样跨度及层高的前提下，钢筋混凝土框架结构建筑使用面积较钢框架小；2)由于钢构件需要涂防腐防火涂料，故钢框架的总造价较钢筋混凝土框架高；3)钢结构施工简便、周期短，从施工周期上看钢框架明显优于钢筋混凝土框架。

钢结构对于钢筋混凝土框架结构有施工周期短，现场湿作业少，施工不受季节限制，建筑空间大，强度高质量轻抗震性能好等优点，适用于地震烈度高，地处高寒地区存在冬季施工的北方地区，而对于南方地区，施工不受季节限制，地震烈度相对低，两种结构均可，可根据经济性选择钢筋混凝土框架。

6 结论

本文对±800 kV某特高压换流站主控制楼的结构选型、上部结构及地下结构设计、节点设计进行分析，为后续同类特高压换流站工程主控制楼的结构选型给出合理建议：

1)在-0.05 m层设置框架梁板，以减小柱计算长度，增加结构侧向刚度，减小位移值；

2) -0.05 m层框架梁板兼做地下局部电缆夹层楼盖结构，避免了由于地基不均匀沉降可能引起的变压器及屏柜倾斜；

3)地下局部采用电缆夹层替代抗静电活动地板，在跨度较大的梁下设置短柱，增加了电缆敷设空间及灵活性；

4)不同高度的楼板错层在计算模型中通过调整梁顶及板顶标高加以实现，以计算由此形成的短柱的抗弯及抗扭能力；

5)通过对两种不同的结构形式的技术经济分析，对两种结构形式的适用地区给出建议。