變電站鋼框架建筑物的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李天浩，張秉燦，翟相鵬，張曉陽，張戊晨

（1.國網(wǎng)河北省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河北 石家莊 050021；2.中國核電工程有限公司河北分公司，河北 石家莊 050000；3.國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050071；4.中國電建集團(tuán)河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架建筑雖然有造價(jià)低、易取材、耐久性、耐火性好的優(yōu)點(diǎn)，但是其施工現(xiàn)場粉塵噪聲污染嚴(yán)重、施工周期長、施工材料可回收利用率低等劣勢逐漸成為阻礙其發(fā)展的主要因素。而以環(huán)境污染小、建設(shè)效率高、施工質(zhì)量好、施工材料可回收利用率高、抗震性能優(yōu)越[1]為特點(diǎn)的裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)作為一種新興起的建筑結(jié)構(gòu)形式越來越成為現(xiàn)代化建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，尤其是在變電站的建筑物建設(shè)中，發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)建筑物的設(shè)計(jì)理論

1.1 安全等級和可靠度

鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用以概率理論為基礎(chǔ)、以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法[2]。建筑結(jié)構(gòu)安全等級的劃分應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 單點(diǎn)高程中誤差分布

表1 建筑結(jié)構(gòu)的安全等級

結(jié)構(gòu)構(gòu)件持久設(shè)計(jì)狀況承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的可靠指標(biāo)，不應(yīng)小于表2的規(guī)定。

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)β

1.2 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論

當(dāng)采用結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)和結(jié)構(gòu)的抗力作為綜合基本變量時(shí)，結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定

式中:R為結(jié)構(gòu)抗力；S為結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)。

1.3 分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)方法

1.3.1 承載能力極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞或過度變形的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下式規(guī)定

式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，見表3；Sd為作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；Rd為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。

表3 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0

1.3.2 正常使用極限狀態(tài)

結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)[2]時(shí)，應(yīng)符合下式規(guī)定

式中:Sd為作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值；C為設(shè)計(jì)對變形、裂縫等規(guī)定的相應(yīng)限值，按有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定取值。

2 裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)建筑物的設(shè)計(jì)方法

2.1 實(shí)際變電站工程構(gòu)件尺寸的設(shè)計(jì)方法

實(shí)際變電站工程中鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，要經(jīng)過以下步驟。

2.1.1 預(yù)估變電站框架鋼柱的截面尺寸

（1）根據(jù)電氣一次、二次、通信等相關(guān)專業(yè)提供的資料、技術(shù)規(guī)程規(guī)范、輸變電工程通用設(shè)計(jì)[3]以及施工工藝的要求確定結(jié)構(gòu)層高、層數(shù)、跨度、柱距，根據(jù)結(jié)構(gòu)高度，設(shè)防烈度確定結(jié)構(gòu)的抗震等級、鋼柱的長細(xì)比[4]及鋼材牌號[5]；

（2）根據(jù)上一步預(yù)估的層高、層數(shù)、跨度、柱距，估計(jì)鋼柱的截面高度以及軸心受壓鋼柱的穩(wěn)定系數(shù)Ψ[5]；

（3）根據(jù)變電站設(shè)計(jì)規(guī)范[6]以及荷載規(guī)范[7]，確定結(jié)構(gòu)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值以及荷載分項(xiàng)系數(shù)；

（4）根據(jù)以上預(yù)估的結(jié)構(gòu)空間、平面布局、鋼柱的荷載從屬面積以及荷載標(biāo)準(zhǔn)值、荷載分項(xiàng)系數(shù)，確定每根鋼柱的軸向壓力設(shè)計(jì)值[4]；

（5）根據(jù)以上預(yù)估的鋼材牌號以及軸向壓力設(shè)計(jì)值利用公式（4）來確定鋼柱的截面面積；

式中:N為鋼柱的軸向壓力設(shè)計(jì)值；Ψ為鋼柱軸心受壓的穩(wěn)定系數(shù)；f為鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A為鋼柱的截面面積。

（6）根據(jù)以上計(jì)算出來的鋼柱截面面積，確定鋼柱的截面尺寸。鋼柱截面尺寸還應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程規(guī)范[4]規(guī)定的要求。

2.1.2 預(yù)估框架鋼梁的截面尺寸

（1）鋼梁的高度一般取跨度的1/50～1/20，即h＝（1/50～1/20）l，其中，h為鋼梁的高度；l為鋼梁的跨度。

（2）鋼梁的寬度一般取高度的1/1.5～1/3，b＝（1/1.5～1/3）h，其中，h為鋼梁的高度；b為鋼梁的寬度。

鋼梁腹板、翼緣的厚度還應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程規(guī)范規(guī)定的要求。

2.1.3 預(yù)估框架樓板的截面尺寸

（1）根據(jù)規(guī)范要求[8]（根據(jù)樓板長邊尺寸與短邊尺寸的比值）確定樓板為單、雙向板。

（2）單向板的厚度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取樓板短邊尺寸的1/35[9]。

（3）雙向板的厚度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取樓板短邊尺寸的1/40。

除了滿足上述要求外，樓板的厚度還應(yīng)符合相關(guān)的規(guī)程規(guī)范的要求。

2.2 建立軟件模型

建立軟件模型中的構(gòu)件定義步驟中，需要將上述步驟中預(yù)估好的鋼框架結(jié)構(gòu)梁、柱的截面尺寸輸入PKPM 軟件模型中，與此同時(shí)，加上荷載規(guī)范[7]中相應(yīng)的荷載數(shù)值，接著定義樓層并進(jìn)行樓層組裝，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

由于變電站鋼框架結(jié)構(gòu)一般層數(shù)較少且結(jié)構(gòu)相對規(guī)則，所以一般采取SAT WE 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。SAT WE 不僅計(jì)算精度高，還提供了多種構(gòu)件的簡化模型，與此同時(shí)，還能進(jìn)行不同荷載下的荷載效應(yīng)組合和內(nèi)力分析，最后進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

下面將軟件中結(jié)構(gòu)計(jì)算分析可能得到的超限類型以及相應(yīng)的調(diào)整方法以列表的形式匯總展示，具體如表4所示。

表4 超限類型及調(diào)整方法

3 實(shí)際工程應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益情況

3.1 應(yīng)用效果

在河北省南部電網(wǎng)的實(shí)際變電站工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，本文論述的設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn)。

（1）針對性強(qiáng)。針對變電站鋼框架結(jié)構(gòu)的每一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，本文給出尺寸確定方法，能夠使設(shè)計(jì)人員對每一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件快速確定尺寸，最大限度地避免了因?yàn)槿狈Υ_定結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的針對性帶來的困擾。

（2）實(shí)操性強(qiáng)。本文論述的設(shè)計(jì)方法詳細(xì)闡述了結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸確定、建立模型、調(diào)整模型直至輸出施工圖的每個(gè)環(huán)節(jié)，具有很強(qiáng)的實(shí)操性以及工程指導(dǎo)意義，能夠指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)流程操作。

（3）節(jié)約工程設(shè)計(jì)時(shí)間成本。論述的設(shè)計(jì)方法能夠使設(shè)計(jì)人員快速地進(jìn)行實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免了因?yàn)椴殚嗁Y料、盲目問詢帶來的時(shí)間上的浪費(fèi)。以河北省南部電網(wǎng)新建的各電壓等級變電站建筑物設(shè)計(jì)情況為統(tǒng)計(jì)標(biāo)本，應(yīng)用本文論述的設(shè)計(jì)方法，平均每個(gè)工程的設(shè)計(jì)時(shí)間節(jié)約15%～20%。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

結(jié)合河北省南部電網(wǎng)一些常規(guī)變電站的通用做法，以單層配電樓建筑物為例，參考現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，下面從施工工期、施工整潔度、單平造價(jià)、材料回收利用率這幾個(gè)指標(biāo)以列表的形式對比2種建筑物形式的經(jīng)濟(jì)效益，具體如表5所示。

表5 2種建筑物形式的經(jīng)濟(jì)效益

通過表5得知:雖然裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的單平造價(jià)指標(biāo)要高于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，但是采用裝配式鋼框架的結(jié)構(gòu)在施工工期、施工整潔度、材料回收利用率這幾個(gè)指標(biāo)要優(yōu)于現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。此外，裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的立面效果好于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，有利于變電站工程的創(chuàng)優(yōu)。

表5只選取了變電站中的配電樓建筑物模塊進(jìn)行對比分析，在宏觀經(jīng)濟(jì)層面的經(jīng)濟(jì)效益分析中，可對整個(gè)變電站甚至整個(gè)輸變電工程的總投資收益率、財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率、資本金凈利潤率、財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、投資回收期[10-12]等宏觀經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，做到對整個(gè)輸變電工程整體投資情況以及經(jīng)濟(jì)效益的精準(zhǔn)把控。

4 結(jié)論

本文討論的裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論方法具有很強(qiáng)的針對性、實(shí)操性、工程指導(dǎo)價(jià)值，且節(jié)約了工程設(shè)計(jì)時(shí)間成本。并且與現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比，具有很好的工程經(jīng)濟(jì)效益。雖然現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)在各自的發(fā)展過程中，對國民經(jīng)濟(jì)都起著至關(guān)重要的作用。然而隨著國民經(jīng)濟(jì)的提高、建筑技術(shù)的發(fā)展以及建筑行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的積累，在降噪減排、節(jié)能環(huán)保、文明施工、模塊化建設(shè)、經(jīng)濟(jì)效益等方面對建筑結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。因此，裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢逐漸凸顯，在變電站的某些建筑物建設(shè)中逐步地取代了現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，越來越成為變電站建筑物的主要建筑結(jié)構(gòu)形式，符合時(shí)代、社會的發(fā)展要求。