戶內(nèi)變電站10kV配電室樓面均布活荷載取值建議

許 饒 張肖峰 胡樂生 范 卉

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司 2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院）

0 引言

城市電力負(fù)荷增長迅速，大量高電壓等級變電站需要建設(shè)在城市中心，變電站建設(shè)對城市的規(guī)劃與景觀產(chǎn)生很大影響。與常規(guī)戶外變電站相比較，城市戶內(nèi)變電站具有占地小、建筑外觀與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)的優(yōu)勢，特殊建設(shè)條件下還與其他建筑物結(jié)合建設(shè)，綜合利用土地資源，因此城市戶內(nèi)變電站在城市建設(shè)和發(fā)展中應(yīng)用愈來愈廣泛［1］。戶內(nèi)變電站的廣泛建設(shè)，給城市的發(fā)展帶來了新的動力，但同時也給建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員帶來了新的挑戰(zhàn)。

戶內(nèi)變電站屬于綜合性工業(yè)建筑，一般包含配電室、電抗器室、電容器室、繼電器室、通訊室和GIS室等電氣設(shè)備室，電氣設(shè)備具有昂貴、自重大、體積大的特點(diǎn)。在設(shè)計戶內(nèi)變電站時，電氣設(shè)備的荷載取值是變電站結(jié)構(gòu)可靠性分析的重要內(nèi)容之一，也是結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的最重要的、最復(fù)雜的參數(shù)之一。如果荷載的性質(zhì)、分布規(guī)模估計得不準(zhǔn)確，那么無論結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)計算多么準(zhǔn)確，也不可能給出符合實(shí)際情況的分析結(jié)果。因此，準(zhǔn)確掌握荷載的性質(zhì)，采用合理的荷載標(biāo)準(zhǔn)值是結(jié)構(gòu)可靠性分析的前提［2］。

我國現(xiàn)行DL／T 5457—2012［3］《變電站建筑建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》提供了變電站建筑物樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值及有關(guān)系數(shù)，其中10kV配電裝置室的樓面均布荷載為4.0～7.0 kN／m2，且限用于每組開關(guān)重量小于或等于8.0kN。經(jīng)調(diào)研，目前大部分廠家的每組10kV開關(guān)重量大于8.0kN，部分開關(guān)重量達(dá)到12.0kN，造成設(shè)計取值困擾。

作者對國內(nèi)多家設(shè)備廠家進(jìn)行調(diào)研，統(tǒng)計歸納各個廠家每組10kV配電柜的重量；并對國網(wǎng)和南網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計中10kV配電裝置室的樓板尺寸大小進(jìn)行統(tǒng)計，歸納了變電站設(shè)備房間樓板常用尺寸；最后在考慮電抗器最不利布置的前提下計算等效均布活荷載。

1 樓面等效均布荷載計算方法

戶內(nèi)變電站作為工業(yè)建筑，樓面活荷載主要為電氣設(shè)備，電氣設(shè)備相對固定，且不同設(shè)備房間的設(shè)備荷載具有一定規(guī)律性，可按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［4］5.2.1的計算方法確定樓面等效均布荷載。在計算樓面等效均布荷載時，假定結(jié)構(gòu)的支承條件均為簡支，即按彈性階段分析內(nèi)力。這對實(shí)際上為非簡支的結(jié)構(gòu)以及考慮材料處于彈塑性階段的設(shè)計時會有一定的誤差，但滿足實(shí)際工程結(jié)構(gòu)需求。

GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》附錄C基于較多假設(shè)條件，提供了手算計算公式。為追求更加精準(zhǔn)的計算結(jié)果，采用MIDASGen三維有限元軟件，按板內(nèi)分布彎矩等效的原則分析樓板內(nèi)力。

在樓板上施加1kN／m2的均布面荷載，得到單位荷載下樓板的最大彎矩M1，然后考慮最不利布置形式設(shè)置設(shè)備荷載，并在設(shè)備外區(qū)域施加2.0kN／m2活荷載，計算得到樓板的實(shí)際彎矩最大值M2。再通過式（1）計算得到戶內(nèi)變電站樓面等效均布荷載q：

2 電氣設(shè)備重量調(diào)研

為取得近年來電氣設(shè)備真實(shí)資料，筆者對國內(nèi)知名的五家電氣設(shè)備廠家進(jìn)行調(diào)研，獲取了各廠家10kV配電裝置室典型布置形式和屏柜重量。其中， 10kV配電室典型布置形式如圖1所示。

圖1 10kV配電室典型布置形式

如圖1所示，10kV配電室常用的配電柜主要有：接地變柜、主變進(jìn)線柜、分段斷路器柜、分段隔離柜、電抗器進(jìn)線柜、電容器進(jìn)線柜、饋線柜、接地變柜和站用變柜等。

調(diào)研獲取的廠家數(shù)據(jù)繁多，作者對調(diào)研獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)、篩選，分析統(tǒng)計得到各類屏柜的自重，并將10kV配電室屏柜分為“大型屏柜”和“小型屏柜”兩種，其中“大型屏柜”主要包括主變進(jìn)線柜、分段斷路器柜，小型屏柜主要包括分段隔離柜、電抗器進(jìn)線柜、電容器進(jìn)線柜、饋線柜、接地變柜等。兩種類型屏柜基本信息見表1。

表1 10kV配電室屏柜基本信息

3 戶內(nèi)變電站樓板尺寸調(diào)研

戶內(nèi)變電站設(shè)備樓板內(nèi)力除與設(shè)備尺寸、重量相關(guān)外，也與樓板尺寸大小和受力模式（單向板或雙向板）關(guān)系密切。筆者收集了國內(nèi)十幾個已投產(chǎn)戶內(nèi)變電站的設(shè)計方案，并參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集，統(tǒng)計歸納戶內(nèi)變電站設(shè)備房間樓板尺寸的特征。

經(jīng)調(diào)研整理發(fā)現(xiàn)，我國戶內(nèi)變電站10kV配電室的樓板尺寸無明顯規(guī)律，部分變電站樓板尺寸大至9m，部分小至3m。針對這種情況，本文將計算樓板尺寸分別為3m×2m、3m×3 m、4m×2 m、4m×3 m、4m×4 m、5m×2 m、5m×3 m、5m×4 m、6m×2 m、6m×3 m、6m×4 m、7m×2 m、7m×3 m、7m×4 m、8m×2 m、8m×3 m、8m×4 m、9m×2 m、9m×3 m、9m×4 m的內(nèi)力，并根據(jù)計算結(jié)果分析樓板內(nèi)力與樓板尺寸的關(guān)系。

4 有限元模型及結(jié)果分析

4.1 荷載布置原則

根據(jù)圖1的典型布置形式，戶內(nèi)變電站10kV配電室的屏柜一般緊湊布置一行，中間設(shè)置巡檢通道。根據(jù)樓板受力特點(diǎn)分析，最不利布置形式應(yīng)為“大型屏柜”布滿樓板中間區(qū)域，如圖2所示。

圖2 10kV配電室最不利布置形式

圖中，a1＝（a－n×1.0）／2，b1＝（b－1.55）／2，a為樓板長度，b為樓板寬度，n為樓板跨度內(nèi)屏柜數(shù)量，a1和b1分別為樓板長度和寬度方向剩余空間。建立模型時將a1、b1和n作為變量，從而實(shí)現(xiàn)快速建立多個有限元模型。

4.2 模型建立

本次計算采用結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域通用有限元軟件MIDASGen進(jìn)行建模，共建立了40個有限元模型分別計算各個樓板尺寸在單位荷載及實(shí)際設(shè)備荷載作用下的彎矩值。

本文僅展示3m×3m樓板的單位荷載及實(shí)際設(shè)備荷載模型，如圖3及圖4所示。樓板采用殼單元，樓板邊界采用簡支約束，樓板有限元網(wǎng)格尺寸為0.05m，混凝土泊松比取0.2。

圖3中3m×3m的樓板布置1kN／m2的單位荷載，計算得到單位荷載作用下的樓板兩個方向的彎矩值為Mx1和My1。圖4中3m×3m的樓板中間屏柜區(qū)域布置7.8kN／m2的設(shè)備荷載，并在兩側(cè)巡檢通道布置2.0kN／m2的樓面活荷載，計算得到兩個方向的彎矩值為Mx2和My2。根據(jù)等效均布荷載的定義q ＝max｛Mx2／Mx1，My2／My1｝，求得的樓板等效均布荷載。

圖3 3m×3m樓板單位荷載模型

圖4 3m×3m樓板實(shí)際設(shè)備荷載模型

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述有限元模型及計算方法計算得到10kV配電室不同尺寸樓板在單位荷載及實(shí)際設(shè)備荷載作用下的彎矩，這里僅展示3m×3m樓板的彎矩云圖如圖5、圖6所示。

圖5 3m×3m樓板單位荷載作用下彎矩

圖6 3m×3m樓板實(shí)際設(shè)備荷載作用下彎矩

統(tǒng)計各個尺寸樓板在單位荷載及實(shí)際設(shè)備荷載作 用下的彎矩及等效均布荷載如表2所示。

表2 不同尺寸樓板的彎矩及等效均布荷載

由表2計算結(jié)果分析可見，樓板尺寸越小，計算得到的樓面等效均布活荷載越大。這是由于樓板尺寸越小，10kV開關(guān)設(shè)備占用面積比例越大，從而使得樓板彎矩值越大。另外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樓板長度尺寸大于5m后，樓板長度尺寸繼續(xù)增大對等效均布荷載的影響程度較小。

由表2可知，戶內(nèi)變電站10kV配電裝置室樓面均布荷載集中在5.0～8.0kN／m2，與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)［3］的參考值4.0～7.0kN／m2基本吻合。本文計算得到的等效均布荷載上限超現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，主要由于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的每組開關(guān)重量的8kN小于本小組調(diào)研結(jié)果的12kN。而本文計算時采用了全部布置“大型屏柜”，且考慮最不利布置方案，故得到的等效均布荷載下限值大于先行標(biāo)準(zhǔn)推薦的下限值。

綜合上述分析，本文推薦10kV配電裝置室的樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為4.0～8.0kN／m2，并將限定條件設(shè)置為每組開關(guān)重量小于等于12kN［5］。

5 結(jié)束語

本文采用數(shù)值模擬方法，分析了戶內(nèi)變電站10kV配電裝置室的樓面均布活荷載，得到以下結(jié)論：

1）樓板尺寸越小，樓面均布活荷載越大。當(dāng)樓板長度尺寸大于5m后，樓板長度尺寸繼續(xù)增大對等效均布荷載的影響程度較小。

2）10kV配電裝置室的樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值建議值為4.0～8.0kN／m2，并將限定條件設(shè)置為每組開關(guān)重量小于等于12kN。