裝配式變電站鋼框架梁截面選型與優(yōu)化研究

張 振，李 騰，聶建春，張 前，王 旭

(1.內(nèi)蒙古電力( 集團)有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012；3.內(nèi)蒙古電力( 集團)有限責任公司內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟技術研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

0 引言

建筑工業(yè)化、模塊化建設是我國建筑行業(yè)的發(fā)展方向。近年來，我國大力推行裝配式建筑，電網(wǎng)公司提出建設裝配式變電站的要求，220 kV 及以下變電站建(構)筑物均優(yōu)先采用裝配式結構。鋼結構以其工業(yè)化程度高、濕作業(yè)少、施工周期短等特點，已成為裝配式變電站建筑的主要結構形式。但相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構，鋼結構工程造價較高，降低鋼結構造價有利于推進鋼結構在變電站中的應用。

《混凝土結構構造手冊》[1]建議鋼筋混凝土框架梁的高跨比取為1/15 ～1/10。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》[2]建議框架結構的主梁截面高度按計算跨度的1/10 ～1/18 確定。而GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[3]和《鋼結構設計手冊》(第四版)[4]未對鋼框架梁的高跨比做出明確規(guī)定。鋼結構設計時，設計人員選取不適當?shù)慕孛嫒菀自斐衫速M；或者需進行多次試算、調(diào)整，從而造成工作量增加。若能明確鋼框架梁的高跨比，將大幅減少設計人員的工作量、節(jié)省用鋼量。本文對變電站鋼結構優(yōu)化設計進行研究，充分利用截面的力學特性，探索變電站鋼框架梁的高跨比，從而達到減少用鋼量、降低造價的目的。

1 模型簡化

鋼框架結構空間分隔靈活、結構整體性好，廣泛應用于變電站建筑結構。變電站鋼框架結構與民用建筑鋼結構相比，具有布置受工藝影響大，跨度大、空間大，層數(shù)少、常規(guī)工程均為2 層以內(nèi)，受地震和風荷載影響小，樓面活荷載大、變形敏感等特點[5]。豎向荷載和變形往往是鋼框架梁結構設計的控制因素。

變電站建筑層數(shù)少，底層鋼框架柱軸壓比一般小于0.40，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》[6]可不考慮“強柱弱梁”對鋼框架梁截面的調(diào)整。為方便研究，本文對受力模型進行簡化，取一榀框架并簡化為等截面剛架模型。梁柱連接、柱腳均采用剛接，框架柱采用箱型截面，框架梁采用H 型鋼，鋼材選用Q355B。忽略地震和風荷載影響，僅考慮承受均布豎向荷載。鋼框架受力簡化模型如圖1 所示。

圖1 鋼框架受力簡化模型圖

按照變電站鋼結構彈性方法設計，不考慮鋼框架梁、柱塑性發(fā)展。根據(jù)現(xiàn)行鋼結構設計標準[3]，梁柱截面板件寬厚比等級不應低于S4 級。

鋼框架梁截面慣性矩Ix可反映其受彎性能，H 型鋼梁高h、梁寬b、翼緣厚度tf和腹板厚度tw，均可不同程度影響梁的抗彎性能。其中，梁高h對H 型鋼梁抗彎性能影響最為顯著。而當梁高增加Δh時，梁截面積僅增加Δh·tw，相較于其他因素，用鋼量增加最少。

因此，本文著重研究梁高對鋼框架梁受力性能影響，以焊接H 型鋼[7-8]為例進行分析。

2 剛架模型靜力分析

2.1 按承載力極限狀態(tài)分析

根據(jù)《建筑結構靜力計算手冊》[9]中的剛架內(nèi)力計算公式，推導出受均布線荷載的鋼框架梁的支座彎矩標準值計算式為：

在均布荷載作用下，梁跨中彎矩和支座彎矩總和等于ql2/8。因此，得到跨中彎矩標準值計算式為：

式中：M1、M2分別為梁左右兩端支座彎矩標準值；M0為梁跨中彎矩標準值；K為梁、柱線剛度比。

跨中彎矩與支座彎矩絕對值相等時，則：

求得K=2/3，此時鋼框架梁彎矩設計值有最小值，梁截面最小，用鋼量最省。

2.2 按正常使用極限狀態(tài)分析

根據(jù)《建筑結構靜力計算手冊》[9]中的單跨梁撓度計算公式，鋼框架梁的兩端約束條件介于簡支和嵌固之間，因此，鋼框架梁的跨中撓度也介于簡支梁和嵌固梁跨中撓度之間，跨中撓度v計算式為：

式中：β與梁、柱線剛度比相關常數(shù)，且1 ≤β≤5；嵌固時，β=1，簡支時，β=5；E為鋼材彈性模量；Ix為對X軸的截面慣性矩。

當梁柱線剛度比K為定值時，β是與K有關的常數(shù)，數(shù)值上等于鋼框架梁跨中撓度與兩端嵌固梁跨中撓度比值。因此，可通過有限元法分別建立鋼框架梁和兩端嵌固梁模型，計算跨中撓度比求得β。

有限元模型取柱高為5 m，梁跨度分別取5 m、8 m 和10 m，梁柱線剛度比K取2/3。其中梁跨度為8 m 的模型如圖2 和圖3 所示。在相同荷載條件下，不同跨度梁跨中撓度結果見表1所列。

表1 不同跨度梁β值計算結果

注：梁撓度數(shù)據(jù)單位為mm圖2 鋼框架梁跨中撓度

注：梁撓度數(shù)據(jù)單位為mm圖3 兩端嵌固梁跨中撓度

根據(jù)計算結果，對不同梁截面和跨度，當K=2/3 時，β呈高度近似性，可近似取為1.87。

綜上所述，梁、柱線剛度比K在2/3 附近時，梁跨中彎矩和支座彎矩絕對值接近，彎矩設計值最小，按承載力極限狀態(tài)計算的梁截面最優(yōu)；此時鋼框架梁跨中撓度與兩端嵌固梁跨中撓度比值β近似為1.87。

3 鋼梁臨界高跨比

鋼梁截面設計應滿足承載力、變形、整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性的要求。梁頂設置栓釘與上部樓板牢固連接，有效阻止了受壓翼緣的側向位移，故可以不計算鋼梁的整體穩(wěn)定性；通過限制板件寬厚比和加設加勁肋的方式，滿足局部穩(wěn)定性的要求[3]。

因此，采取上述構造措施的情況下，僅需使鋼梁滿足承載力要求和變形要求，計算公式如下：

將式(2)代入式(6)可得到

式中：Mx為繞X軸的彎矩設計值；γx為截面塑性發(fā)展系數(shù)；Wx為對X軸的截面模量；f為抗彎強度設計值；[v]為撓度容許值；α與梁、柱線剛度比相關常數(shù)。

假設承載力要求和變形要求剛好同時滿足，即聯(lián)立式(5)、(7)，得到梁高跨比為：

將上式h/l定義為鋼框架梁的臨界高跨比λL[10]。

根據(jù)上節(jié)結論， 當K=2/3 時，β=1.87，α=1.5。根據(jù)經(jīng)驗，鋼框架梁跨中彎矩的設計值和標準值的比值Mx/M0取1.35。截面板件寬厚比等級為S4 級時，γx可取1.0。

將上述條件代入式(9)，得到臨界高跨比λL為：

臨界高跨比是一個與鋼材強度、彈性模量和撓度容許值有關的常數(shù)。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[3]要求，鋼框架梁撓度容許值可取l/400。Q355B 鋼框架梁臨界跨高比計算結果約為1/15。

4 變電站推薦高跨比

當鋼梁高跨比等于臨界高跨比時，承載力要求和變形要求剛好同時滿足，此時，截面性能得到充分發(fā)揮，截面最優(yōu)。根據(jù)式(6)，本文定義鋼梁的臨界荷載標準值qL：

當外部荷載大于qL時，需要增加梁高使式(5)和式(6)剛好成立，式(6)受梁高變化影響更為顯著，變形要求更易滿足，此時梁截面由式(5)承載力要求控制。反之，當外部荷載小于臨界荷載qL時，可減少梁高使式(5)和公式(6)剛好成立，此時梁截面由式(6)變形要求控制。

因此，可通過對比變電站實際荷載與臨界荷載之間的關系，判斷鋼梁由承載力要求控制還是由變形要求控制，從而確定推薦高跨比的范圍。

以某全戶內(nèi)變電站配電裝置樓房間為例， 跨度l為10 m， 鋼梁截面為WH650×200×8×16，鋼材為Q355B，當K接近2/3 時，計算臨界荷載qL=85 kN/m。

根據(jù)DL/T 5457—2012《變電站建筑結構設計技術規(guī)程》[10]，通常樓面恒載取5 kN/m2，墻板恒載取10 kN/m，樓面活載取4 ～10 kN/m2；不上人屋面恒載取7.5 kN/m2，活載取0.5 kN/m2。以10 m 板跨計算，該梁折算為均布線荷載標準值情況見表2 所列。

表2 某鋼梁均布線荷載標準值

對比變電站鋼梁實際荷載與臨界荷載qL：當采用Q355 鋼時，對于荷載較小的不上人屋面梁和邊跨梁，鋼梁截面由變形要求控制，鋼梁的推薦高跨比小于臨界高跨比，可取值1/15 ～1/18；對于設備房間中間跨梁，鋼梁由承載力要求控制，鋼梁的推薦高跨比大于臨界高跨比，可取1/13 ～1/15。

5 模型驗證

以某110 kV 全戶內(nèi)變電站配電裝置樓電容器室中間跨梁為例，采用PKPM 軟件對本文理論進行驗證，其中：樓面恒荷載取5 kN/m2，活荷載取9 kN/m2，梁跨度為10 m，鋼材選用Q355B。建立該配電裝置樓物理模型，如圖4所示。

圖4 配電裝置樓物理模型

分別取不同截面梁試算，梁高在600 ～850 mm 之間、梁寬在200 ～300 mm 之間、應力比在0.9 左右的鋼框架梁計算結果見表3 所列。

表3 鋼框架梁計算結果

由表3 可知，當高跨比在1/12.5 ～1/14.3之間時，鋼梁應力比在0.90 左右，撓度滿足限值要求，鋼梁截面合理，鋼材性能得到充分發(fā)揮的同時用鋼量較少。

綜上所述，當采用Q355 鋼時，設備房間的梁最優(yōu)高跨比在1/13 ～1/15 范圍內(nèi)，與理論分析結論一致。

6 結語

本文采用靜力分析的方法，通過對鋼框架梁柱線剛度比、鋼梁臨界高跨比的研究，結合變電站鋼框架特點和以往工程實踐，推導出適合變電站鋼框架結構的最優(yōu)梁柱線剛度比和鋼框架梁推薦高跨比，為截面選型和設計提供依據(jù)。

本文取得的主要結論如下：

1)增加H 型鋼梁高度，能夠顯著提高鋼梁抗彎性能，同時用鋼量增加最少；

2)梁柱線剛度比K=2/3 時，跨中彎矩與支座彎矩絕對值相等，鋼梁彎矩設計值最小、截面最優(yōu)；

3)鋼框架梁臨界高跨比可用于判斷設計控制條件，臨界跨高比數(shù)值與梁柱線剛度比、鋼材強度、彈性模量和鋼梁撓度容許值有關。當K=2/3時，Q355 鋼材鋼框架梁臨界跨高比為1/15；

4) 當采用Q355B 鋼時，變電站配電裝置樓設備房間中間跨梁推薦高跨比建議取1/13 ～1/15，不上人屋面及邊跨梁推薦高跨比建議取1/15 ～1/18。