±800 kV特高壓換流站鋼框架主控制樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雷 蕾，李 昱，張玉明，鐘煒輝

(1. 中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075；2. 國家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司 ，北京 100054；3. 西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引言

目前，我國已進(jìn)入特高壓電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。為積極響應(yīng) “標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配式建設(shè)”的工程建造理念，積極推廣和發(fā)展綠色建筑，提高建筑工程質(zhì)量，換流站中的建(構(gòu))筑物優(yōu)先采用工廠加工、現(xiàn)場組裝的裝配式結(jié)構(gòu)，有利于加快施工速度減少現(xiàn)場濕作業(yè)，切實(shí)將節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)等綠色理念融入到電網(wǎng)工程建設(shè)中[1-2]。

主(輔)控制樓是特高壓換流站中重要的建筑物，結(jié)構(gòu)形式可采用鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)[3-5]。從國內(nèi)第一座特高壓換流站工程開始，截至目前，僅有±800 kV某特高壓換流站控制樓采用了鋼框架方案。該換流站位于寧夏回族自治區(qū)，地震設(shè)防烈度為8度。與鋼筋混凝土框架填充墻結(jié)構(gòu)相比，在高烈度區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)，自重輕，對地震作用敏感性低，是一種很好的抗震結(jié)構(gòu)形式；站址位于西北寒冷地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)為天然的裝配式結(jié)構(gòu)，不受冬季施工影響，有利于縮短建造周期并靈活調(diào)整施工時(shí)間；同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)對環(huán)境污染小、回收價(jià)值高，符合國家綠色建筑發(fā)展的要求；主控制樓與低端閥廳毗鄰，有各種通道及電纜走廊，無支撐純鋼框架開洞可靈活布置，故該特高壓換流站主控制樓優(yōu)先采用無支撐純鋼框架的結(jié)構(gòu)形式，有良好的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

本文結(jié)合此±800 kV特高壓換流站的設(shè)計(jì)條件，重點(diǎn)闡述了高烈度地震區(qū)鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程和方法，尤其是對地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提出了具體建議，為同類特高壓換流站工程主控制樓采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 建筑方案及工藝布置

該換流站主控制樓為3層鋼框架，與兩極低端閥廳毗鄰，建筑總面積3 656 m2，建筑高度16.20 m，層高自下而上分別為5.40 m、6.00 m、4.80 m，主控制樓三維建筑模型如圖1所示。根據(jù)工藝布置，地下一層局部設(shè)有電纜夾層，1層～3層布置有閥組設(shè)備室及配電室、閥廳空調(diào)設(shè)備間、通信機(jī)房、蓄電池室、檢修工具間、控制保護(hù)設(shè)備室。

圖1 主控制樓三維建筑模型

2 結(jié)構(gòu)選型

該換流站主控制樓抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，按提高一度采取抗震構(gòu)造措施[6]。根據(jù)平面布置，該換流站主控制樓縱橫兩個方向跨度相近，采用主梁與箱型鋼柱剛性連接的純鋼框架形成空間體系，樓(屋)面板以壓型鋼板作為永久性底模，其上澆筑混凝土，形成整體性非組合樓板，節(jié)省了臨時(shí)模板，且省去了拆除模板的工作。因此，主控制樓采用箱型截面鋼柱、焊接工字鋼梁、壓型鋼板作底模的非組合樓板、砌體圍護(hù)的無支撐純鋼框架，柱腳采用外包式柱腳剛性連接[7]。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)及參數(shù)

±800 kV某特高壓換流站主控樓設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 ±800 kV某特高壓換流站主控樓設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)GB/T 50789—2012《±800 kV直流換流站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》及本工程施工圖階段《巖土工程勘查報(bào)告書》[8]，主控制樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。樓屋面活荷載依據(jù)GB/T 50789—2012《±800 kV直流換流站設(shè)計(jì)規(guī)范》表8.3.2取值。

3.2 地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 框架柱基礎(chǔ)選型

根據(jù)該換流站施工圖階段《巖土工程勘查報(bào)告書》，地下水位大于20 m，不考慮地下水對設(shè)計(jì)和施工的影響。結(jié)合其場平圖，主控制樓主要位于挖方區(qū)，以②-1強(qiáng)風(fēng)化砂巖或②-2中風(fēng)化砂巖為持力層，挖方區(qū)地基承載力特征值fak= 350 kPa，西北角局部未到②砂巖層時(shí)采用C15素混凝土換填?；紫聼o軟弱土層，故主控制樓采用天然地基，基礎(chǔ)根據(jù)建筑平面布置采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)或雙柱聯(lián)合基礎(chǔ)。

3.2.2 -0.05 層框架設(shè)計(jì)

主控制樓首層層高5.40 m，基礎(chǔ)頂面標(biāo)高-2.20 m，則首層結(jié)構(gòu)計(jì)算高度為7.60 m，經(jīng)過計(jì)算，首層彈性層間位移角限值不滿足規(guī)范要求的1/250，故在-0.05 m層設(shè)置一層框架梁板，與鋼柱的外包混凝土短柱形成框架結(jié)構(gòu)，以減小首層框架柱的計(jì)算長度，增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，減小位移比及層間位移角，該層框架梁板兼做地下電纜夾層樓蓋結(jié)構(gòu)。但需注意的是，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》第6.1.3條“當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜拷Y(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，地下一層的抗震等級應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同。”?0.05 m層的現(xiàn)澆梁板及外包式柱腳的設(shè)置作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位，其以下不計(jì)算風(fēng)荷載，但地下一層的抗震等級應(yīng)與上部結(jié)構(gòu)相同，即為一級[9]。

3.2.3 電纜夾層短柱設(shè)計(jì)

主控制樓上部結(jié)構(gòu)采用鋼框架，可適當(dāng)增大柱距減少鋼柱數(shù)量，有利于形成大空間并增加空間使用的靈活度。如前所述，在-0.05 m層設(shè)置一層框架梁板，大跨度的電纜夾層混凝土梁降低了梁底的電纜使用空間，如要滿足工藝要求，則電纜夾層底板埋置較深，以致于與其連接的室外電纜溝很深。本工程結(jié)合工藝布置，在跨度較大的梁下、電纜夾層內(nèi)設(shè)置300 mm×300 mm短柱以減小?0.05 m層梁的高度(如圖2所示)。短柱剛度較小，并不能對框架梁形成固端約束，宜按連續(xù)支座考慮，將短柱頂端釋放約束。短柱抗震構(gòu)造措施的抗震等級采用三級[10]，下設(shè)獨(dú)立基礎(chǔ)。

3.2.4 局部電纜夾層設(shè)計(jì)

主控制樓地下電纜較多，為方便電纜敷設(shè)、運(yùn)行巡視，換流站主控制樓采用地下電纜夾層結(jié)構(gòu)。

該工程地基承載力高，無軟弱下臥層，地下水位大于20 m，故電纜夾層與主結(jié)構(gòu)脫開設(shè)計(jì)，設(shè)縫30 mm，用瀝青麻絲填充。側(cè)壁為鋼筋混凝土墻，下設(shè)條形基礎(chǔ)，計(jì)算模型簡化為懸臂結(jié)構(gòu)，即下端固接，上端懸臂，墻體配筋及撓度考慮室外地面活荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力及室外側(cè)地基土側(cè)壓力，結(jié)構(gòu)受力合理，傳力清晰。以此進(jìn)行基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算并選定條形基礎(chǔ)底面尺寸。

一層布置有低端閥組冷卻設(shè)備室、交流配電室及輔助設(shè)備室，內(nèi)設(shè)屏柜及干式變壓器，電纜層深度較常規(guī)變電站大，鋼支撐結(jié)構(gòu)支架較高。該工程-0.05 m層樓板為電纜夾層頂板，取代鋼支撐＋防靜電活動地板的形式，變壓器及屏柜基礎(chǔ)由主控制樓主體框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)，避免了由于地基不均勻沉降可能引起的電氣屏柜傾斜。電纜夾層剖面如圖2所示。

圖2 電纜夾層剖面圖

3.3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

主控制樓通過采用PKPM軟件進(jìn)行空間建模計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 主控制樓結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

各層計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 各層計(jì)算結(jié)果匯總表

由表2可知：1)周期比0.79＜0.9，表明結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件布置合理。2)最小剪重比0.076 8＞樓層最小地震剪力系數(shù)值0.032，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]第5.2.5條強(qiáng)制性條文要求。3)剛重比最小值36.66＞5，滿足JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第6.1.7條規(guī)定的鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性且計(jì)入重力二階效應(yīng)。4)結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的最大水平位移與平均水平位移的比值為1.14，小于JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.3.2-1規(guī)定的1.2，表明結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件平面布置規(guī)則、無側(cè)向剛度和承載力的突變。5)最大層間位移角為1/283，小于GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》表5.5.1規(guī)定的1/250，表明結(jié)構(gòu)滿足舒適度要求。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.1 局部樓板錯層設(shè)計(jì)

為滿足不同房間功能使用要求及電纜通道的暢通，主控制樓多處采用了不同高度的樓板錯層布置(如圖4所示)，在計(jì)算模型中通過調(diào)整梁頂及板頂標(biāo)高加以實(shí)現(xiàn)，以計(jì)算由此形成的短柱抗彎及抗扭能力；采用總剛分析方法計(jì)算地震力，并計(jì)入雙向地震作用。由于工藝要求使結(jié)構(gòu)錯層，框架鋼梁要適當(dāng)增加高度，具體節(jié)點(diǎn)形式如圖5所示。

圖4 樓板錯層高度布置

圖5 樓板錯層節(jié)點(diǎn)圖

4.2 兩種剛接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用

如前所述，主控制樓采用箱型柱與框架梁剛接，剛接通常采用柱貫通型。本工程采用了兩種梁與柱的剛接，如圖6所示，圖6(a)為梁端與柱的連接全部采用焊縫連接，懸伸梁與柱的連接按梁與柱剛接進(jìn)行設(shè)計(jì)，懸伸段應(yīng)設(shè)在內(nèi)力較小的位置，一般設(shè)在距梁端1.0 m左右；而懸伸梁與中間區(qū)段梁的連接，按梁與梁的拼接即梁截面面積的等強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)；圖6(b)為框架梁與柱栓焊混合連接。對于跨度小于3.0 m的梁，考慮到方便運(yùn)輸，該工程選用了圖6(b)的連接形式，其余均采用圖6(a)的連接形式。

圖6 梁柱剛接連接形式

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

筆者分別從空間尺寸、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及施工周期對該工程主控制樓采用鋼框架和鋼筋混凝土框架兩種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了對比，如表3～表5所示。

表3 兩種結(jié)構(gòu)形式空間尺寸對比表

表4 兩種結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比表

表5 兩種結(jié)構(gòu)形式施工周期對比表

通過以上對比分析可以看出：1)同樣跨度及層高的前提下，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑使用面積較鋼框架??；2)由于鋼構(gòu)件需要涂防腐防火涂料，故鋼框架的總造價(jià)較鋼筋混凝土框架高；3)鋼結(jié)構(gòu)施工簡便、周期短，從施工周期上看鋼框架明顯優(yōu)于鋼筋混凝土框架。

鋼結(jié)構(gòu)對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)有施工周期短，現(xiàn)場濕作業(yè)少，施工不受季節(jié)限制，建筑空間大，強(qiáng)度高質(zhì)量輕抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，適用于地震烈度高，地處高寒地區(qū)存在冬季施工的北方地區(qū)，而對于南方地區(qū)，施工不受季節(jié)限制，地震烈度相對低，兩種結(jié)構(gòu)均可，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性選擇鋼筋混凝土框架。

6 結(jié)論

本文對±800 kV某特高壓換流站主控制樓的結(jié)構(gòu)選型、上部結(jié)構(gòu)及地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，為后續(xù)同類特高壓換流站工程主控制樓的結(jié)構(gòu)選型給出合理建議：

1)在-0.05 m層設(shè)置框架梁板，以減小柱計(jì)算長度，增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，減小位移值；

2) -0.05 m層框架梁板兼做地下局部電纜夾層樓蓋結(jié)構(gòu)，避免了由于地基不均勻沉降可能引起的變壓器及屏柜傾斜；

3)地下局部采用電纜夾層替代抗靜電活動地板，在跨度較大的梁下設(shè)置短柱，增加了電纜敷設(shè)空間及靈活性；

4)不同高度的樓板錯層在計(jì)算模型中通過調(diào)整梁頂及板頂標(biāo)高加以實(shí)現(xiàn)，以計(jì)算由此形成的短柱的抗彎及抗扭能力；

5)通過對兩種不同的結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，對兩種結(jié)構(gòu)形式的適用地區(qū)給出建議。