全戶內(nèi)變電站生產(chǎn)綜合樓結(jié)構(gòu)設(shè)計

付艷偉，邱昌勝，張愛民

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100094)

1 概況

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對環(huán)境的要求越來越高，對于變電站的建筑外型等有了較高的要求，設(shè)計難度也遠較常規(guī)變電站高。某供電公司220kV變電站位于某市高新開發(fā)區(qū)內(nèi)，基于和周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的規(guī)劃要求，業(yè)主要求將變電站中變壓器、GIS等全部電氣設(shè)備以及水泵房等附屬設(shè)備均設(shè)在一個生產(chǎn)綜合樓內(nèi)，因此布置遠較普通的變電站復雜，國內(nèi)同類建筑也較為少見。其建筑效果圖見圖1：

圖1 建筑效果圖

圖2 典型平面布置圖

圖3 典型斷面圖

從上述平面和斷面可以看出結(jié)構(gòu)布置復雜，有做半地下室結(jié)構(gòu)、大空間結(jié)構(gòu)、錯層、掛線獨立柱等非規(guī)則復雜結(jié)構(gòu)。

對于復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計，簡單的手算復核已不可能，人們一般都依靠軟件分析計算，甚至直接用軟件出圖，目前常用的設(shè)計軟件都是填一套參數(shù)，就出一種結(jié)果，如果參數(shù)和結(jié)構(gòu)模型設(shè)置不正確，分析的結(jié)果就有很大的差別，我們常用的PKPM系列軟件更是如此，因此計算模型和軟件參數(shù)的正確與否、計算結(jié)果的判斷和后處理是關(guān)系到工程設(shè)計的安全和質(zhì)量的重要因素。本文就從上述幾個方面展開論述，希望能對類似結(jié)構(gòu)設(shè)計有所幫助。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計應用

2.1 半地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著變電容量的不斷增大，變電站進出電纜不僅數(shù)量在增加，而且電纜直徑也在變大，受電纜溝高度和寬度的限制，工人敷設(shè)電纜非常困難。因此，設(shè)置電纜溝已經(jīng)遠遠無法解決問題，于是一般采用露出地面1.2～1.5 m的半地下室形式[1]，基礎(chǔ)采用帶護壁筏基的形式。這既能利用半地下室做電纜夾層，又能滿足電纜層通風和采光的要求，便于室內(nèi)外電纜敷設(shè)和維護。

對于帶地下室的結(jié)構(gòu)來說，地下室與回填土的作用應該是相互的。鑒于目前規(guī)范的反應譜理論是基于剛性地基假定的，因此帶地下室的建筑建模一般采用兩種方法：A、嵌固位移法，即約束地下室的水平位移，地下室水平位移為0，將地下室的所有節(jié)點的Dx、Dy位移約束?。籅、彈簧剛度法，將地下室的側(cè)墻節(jié)點加彈簧支撐或彈性支撐連接，此時彈簧的剛度可取很大或按照側(cè)土的橫向基床反力系數(shù)取用。

對于半地下室來說，若按照全嵌固，即約束地下室的水平位移。由于采用筏板基礎(chǔ)，為保證荷載有效傳遞至基礎(chǔ)上的需要和地下室局部露出地面，而且露出部分無側(cè)土約束，因此必須采用整體計算的方式，可合理考慮地下室的剛度。

合理考慮地下室剛度比較簡單，可以真實地將地下室部分與上部構(gòu)件一起建模，建立一個包括上部結(jié)構(gòu)和地下室所有構(gòu)件在內(nèi)的綜合模型，很容易實現(xiàn)。但是確定水平彈簧剛度的具體取值，是一項非常困難的工作?；靥钔翆Φ叵率冶旧碛屑s束作用，但是由于影響這種約束作用的因素很多，從目前的文獻資料[2]來看，很難確定約束作用的大小。目前在SATWE軟件中，沒有直接要求用戶輸入水平彈簧剛度的真實數(shù)值，而是間接地要求輸入“回填土對地下室約束作用的相對(彈簧)剛度比” [3]，其含義是回填土的約束剛度與地下室本身側(cè)移剛度的比值。若取相對剛度比為零，則表示不考慮回填土的約束剛度；若取相對剛度比為5.0或更大，則計算結(jié)果與嵌固各層地下室頂板水平位移效果一致。對于一般工程，取相對剛度比在2～4之間，比較合適。Satwe 軟件給出的地下室水平位移約束隱含值為3.0，就是根據(jù)上述分析經(jīng)驗確定的。對于半地下室的生產(chǎn)綜合樓來說，這個約束值應該做一下調(diào)整，最好針對不同的方案布置情況，調(diào)整取值、對比結(jié)果，按最不利計算。

應當指出，SATWE軟件雖然可以計算側(cè)向土和水壓力對地下室外墻的作用，但是程序是將水平方向的不均勻荷載簡化為均布荷載，并采用簡化計算方法，因此它的計算結(jié)果存在一定的誤差。建議對于地下室外墻按照擋土墻進行驗算，復核配筋及側(cè)墻對基礎(chǔ)傳遞的荷載等。

2.2 結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計

生產(chǎn)綜合樓的結(jié)構(gòu)設(shè)有大空間和錯層，而且由于變壓器室之間必須設(shè)置防火墻，因此若考慮采用框排架結(jié)構(gòu)，則防火墻的設(shè)置就較為困難，因此，本工程選用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板在整體結(jié)構(gòu)中起協(xié)調(diào)豎向構(gòu)件共同受力的作用，錯層結(jié)構(gòu)由于樓板不連續(xù)，會引起構(gòu)件內(nèi)力分配及地震作用沿層分布的復雜化，易形成不利于結(jié)構(gòu)抗震的短柱和矮墻。在工業(yè)建筑中，最好和工藝專業(yè)緊密配合，盡量少設(shè)置錯層，當錯層高度，不超過框架梁高時，應按照一層進行計算，錯層高度較高時，才設(shè)置標準層。

不規(guī)則結(jié)構(gòu)在條件允許和可能的情況下，盡量采用受力合理、規(guī)則對稱的設(shè)計方案，避免采用嚴重不規(guī)則的設(shè)計方案，這是對結(jié)構(gòu)不規(guī)則性控制的最有效手段。在結(jié)構(gòu)計算不滿足規(guī)范要求、差別較大時，不應當簡單的調(diào)整計算參數(shù)或放大地震力，而應當首先修改結(jié)構(gòu)方案。

下面重點談一下，這種結(jié)構(gòu)的電算設(shè)置：

⑴ 結(jié)構(gòu)方案調(diào)整：調(diào)整結(jié)構(gòu)方案，減少結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則性和構(gòu)件剛度的不均勻性，避免過大偏心導致結(jié)構(gòu)較大的扭轉(zhuǎn)效應，加強結(jié)構(gòu)抗扭剛度是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應的重要途徑，應盡量加強結(jié)構(gòu)周邊的剛度，設(shè)計中，由于變壓器室側(cè)框架剛度較小，故調(diào)整了變壓器側(cè)柱子截面布置，以增加抗扭剛度，計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的周期比和位移比均滿足規(guī)范要求，方案調(diào)整是成功的。

⑵ 振型數(shù)量：為保證抗震計算結(jié)果準確，必須選取足夠多的振型數(shù)量，使有效質(zhì)量數(shù)大于0.9，對于不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，特別是具有彈性樓板、樓板大開洞、錯層等結(jié)構(gòu)，由于有質(zhì)量貢獻的自由節(jié)點數(shù)大大增加，選擇的振型數(shù)也必須大大增加。

⑶ 分析方法：由于結(jié)構(gòu)存在樓板不連續(xù)、開大洞錯層等，不符合剛性樓板假定時，應采用彈性樓板假定計算地震作用。

⑷ 錯層結(jié)構(gòu)：錯層結(jié)構(gòu)層高不一致，使有關(guān)樓層間的控制參數(shù)，如層間位移比、層間剛度比等計算失真，因此不能機械地直接采用這些數(shù)據(jù)，而應加以分析判斷和手工校核，確定其是否合理，并進行必要的變通和調(diào)整處理，另外需要注意的是Satwe軟件無自動搜索分析短柱的功能，需要設(shè)計人員自己采取特別的加強措施。

3 對電算設(shè)計的認識

通過本工程和其他的類似工程的設(shè)計，談一下我對電算程序的認識及如何判斷結(jié)構(gòu)電算結(jié)果的合理性問題。

3.1 計算機分析結(jié)果的認識

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[4]3.6.6條規(guī)定，“所有計算機計算結(jié)果，應經(jīng)分析判斷確認其合理、有效后方可用于工程設(shè)計?！薄痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]5.1.6條規(guī)定：“對電算結(jié)果，應經(jīng)判斷和校核；在確認其合理有效后，方可用于工程設(shè)計。”這些文獻的規(guī)定，說明人在設(shè)計中的重要性，計算分析是根據(jù)結(jié)構(gòu)的力學模型進行的，采用簡化的荷載和模型，實際結(jié)構(gòu)是有差異的，必須清醒地認識到，電算分析只有合理的模型和結(jié)果，沒有絕對正確的。

完成復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計任務，要清楚軟件的適用范圍，計算模型的假定和適用條件，對計算結(jié)果要進行判斷，合理有效后，才可用于工程設(shè)計。要提倡概念設(shè)計，強調(diào)人的主導作用，計算機僅為輔助設(shè)計手段，設(shè)計人員的地位和作用是不可替代的。

3.2 如何判斷電算結(jié)果的合理性

⑴ 對總體結(jié)構(gòu)的分析判斷，主要考慮以下幾個方面。

①所選軟件是否適用，使用是否恰當，是否滿足軟件假定，結(jié)構(gòu)模型是否正確，軟件參數(shù)設(shè)置是否合理。

②結(jié)構(gòu)振型、周期、位移等參數(shù)是否滿足規(guī)范要求。

③結(jié)構(gòu)地震作用沿結(jié)構(gòu)高度的分布是否合理，參震質(zhì)量及樓層地震剪力等是否滿足規(guī)范要求。

④對復雜結(jié)構(gòu)應采取多模型分析，避免單一計算模型帶來的差錯。

⑤與已建成熟工程進行比較。

⑵ 對局部構(gòu)件的分析判斷，主要考慮以下幾個方面。

①截面尺寸是否滿足設(shè)計要求，配筋是否超筋，是否滿足使用極限狀態(tài)和應力強度極限狀態(tài)的要求。

②受力復雜的構(gòu)件，其內(nèi)力和應力分布是否與力學概念、工程經(jīng)驗一致，是否采取了有效的加強措施。

③構(gòu)件的內(nèi)力和配筋是否滿足規(guī)范抗震措施的要求。

4 結(jié)論

⑴ 帶半地下室的結(jié)構(gòu)必須整體建模計算，且可適當考慮土的約束作用。SATWE軟件對這種承受平面外的力作用的地下室側(cè)壁分析，有一定的誤差，必須采用其他軟件進行驗算。

⑵ 錯層、大開間、樓板局部大開洞的復雜結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，首先須合理的設(shè)置結(jié)構(gòu)抗扭剛度，減少扭轉(zhuǎn)效應，并選取足夠的振型數(shù)量和其他合理的參數(shù)設(shè)置，并對結(jié)果進行合理有效性分析后，才可用于設(shè)計。

⑶ 電算是設(shè)計的重要部分，總結(jié)了我對電算的一些認識，強調(diào)人在設(shè)計中的重要性，電算僅是輔助設(shè)計。

[1]GB50011-2001 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]GB50010-2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].