地下变电站主体结构形式的优选及分析

高东奇 曹林放 徐意智 姜 波 刘绍彬

(1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092; 2. 上海电力设计院有限公司，上海 200025)

地下变电站主体结构形式的优选及分析

高东奇1,*曹林放2徐意智1姜 波2刘绍彬1

(1. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092; 2. 上海电力设计院有限公司，上海 200025)

结合我国上海、北京地区地下变电站的主体结构选型特点，采用Midas-GTS有限元分析软件，对不同形式下主体结构的受力特点和抗震性能进行建模和分析，同时对地下变电站主体结构的选型和优化进行了系统地分析与探讨。

地下变电站, 主体结构, 优选, 有限元分析

1 引 言

基础设施建设是一个城市经济、社会可持续发展的根本保证。近年来，随着城市经济和科学技术水平的不断发展，城市基础设施建设水平也不断提高，种类日渐齐全，服务更加完善[1]。而电力系统建设作为城市基础设施建设中举足轻重的一环，是国民经济发展规划的重要组成部分。

随着电力需求的不断增加、施工技术的日益完善以及地上空间的日益紧缺，城市输变电工程向地下空间发展成为一种必然趋势[2]。不远的将来，必将会出现更多的地下变电站和电力隧道，为城市的繁荣提供强大的动力[3]。

目前我国建有地下变电站的城市很多，但真正形成规模的主要为北京和上海两地。

北京的土层是典型的北方硬土层，上海是典型的软土地区[4]。对北京、上海两地地下变电站主体结构的选型进行分析不仅有助于对这两个地区地下变电站主体结构进行标准化设计，也能为其他城市的地下变电站建设提供重要的参考价值[5]。本文结合我国上海、北京地区地下变电站的结构形式及特点，对地下变电站结构选型需参考的因素进行归纳总结，同时利用有限元分析方法，对不同形式的主体结构的受力特点和抗震性能进行分析。此外，分别以两个典型地下变电站为例，对地下变电站主体结构工程造价进行了分析和对比，进而对地下变电站主体结构的选型和优化提出了合理化建议。

2 地下变电站主体结构选择需参考的因素

目前，针对不同的工程条件，地下变电站的主体结构形式主要有三种：剪力墙结构、框架-剪力墙结构(以下简称“框剪结构”)和框架结构[6]。

对于一个特定的地下变电站工程，具体选择哪种结构形式主要参考以下几种因素：

(1) 工程造价，除主体结构自身的造价外，还需考虑因结构形式引起的附加基坑工程造价；

(2) 结构体系的受力合理性，包括结构的整体性能(抵抗竖向不均匀变形的能力，结构抗震稳定性等[7])以及构件的受力性能(构件的挠度、裂缝、轴压比等)；

(3) 工程场地水文地质条件，工程场地土层条件越差，水文地质条件越复杂，对结构的整体性要求就越高。

此外，对某一个地区而言，地下变电站主体结构的选型，还应综合考虑当地的国民经济发展水平和周围环境的影响等[8]。

3 地下变电站主体结构的有限元计算分析

3.1 有限元模型介绍

为对比上述三种主体结构形式的整体力学性能，进行了有限元计算分析。

有限元计算以某220 kV地下变电站为原型，全面考虑了地下变电站的主体结构、周围土体、地下连续墙、抗拔桩等的影响。地下变电站主体结构长80 m、宽30 m，土体有限单元范围长、宽、高分别取280 m、130 m和68 m。

主体结构荷载包括结构恒载、活载、水土荷载、顶板覆土荷载、底板水浮力以及地震作用，荷载取值参照原设计文件选取。

土层物理力学参数参照相关的工程地质勘查资料如表1所示。

对于剪力墙结构，考虑地下连续墙与主体结构内衬墙复合墙，应考虑两者的共同作用，墙体厚度统一取为1.7 m。地下连续墙的厚度为1.0 m，地下连续墙总高度34 m，插入深度18 m。主体结构地下共三层，从上至下层高分别为6 m、6 m和4 m。楼板厚度依照原设计方案从上至下依次取为0.6 m、0.4 m和0.4 m, 筏板厚度取为1.7 m。为增大地下变电站抵抗上浮的能力，在其底板下方打设抗拔桩以增加其抗浮力[9]，布置抗拔桩33根，每根桩长33 m，如图1、图2所示。

表1 土层物理力学参数选取

Table 1 Selection of physical and mechanical parameters of soils

图1 主体结构(剪力墙结构)(单位：m)

图2 底板及抗拔桩(剪力墙结构)(单位：m)

对于框剪结构，土层地质条件及荷载条件与上述剪力墙结构保持相同。用框架柱代替原剪力墙结构中的部分剪力墙，改造成框剪结构，如图3所示。底板及抗拔桩亦与剪力墙结构相同。

对于框架结构，由于内部的竖向受力构件全为框架柱，结构除了四周的外墙，内部没有剪力墙，所以框架结构以框架梁、框架柱等为主要承力体系。计算模型在原剪力墙结构模型的基础上，将所有剪力墙用框架柱进行代替。底板及抗拔桩布置与剪力墙相同。

图3 主体结构(框剪结构)(单位：m)

3.2 有限元分析结果

为全面反映三种结构形式的整体力学性能，需计算以下三种工况下的结构响应：

(1) 施工阶段(顶板覆土)：主要考虑结构自重、结构外墙水土荷载、结构底板水浮力、覆土荷载等。

(2) 正常使用阶段：主要考虑结构恒载、活载、结构外墙水土荷载、结构底板水浮力、覆土荷载等。

(3) 地震作用下：主要考虑地层剪切变形作用，结构自身恒活载、水土作用等[10]。

通过有限元计算，得到以下分析结果：

(1) 在施工阶段，地下变电站主体结构主要承受的荷载有结构自重、水土荷载以及底板水浮力。在这一阶段，最关键的一个验算项目就是主体地下结构封顶，顶板完成覆土，地下水位恢复时的地基沉降量。

由计算可知，三种结构形式在施工阶段均能满足抗浮要求，地基将产生下沉变形。三种不同的结构形式下主体结构地基平面上各点的沉降量如图4所示。

通过对比可以看出，在这种“结构—桩—土”共同作用下，剪力墙结构表现出良好的整体性，框剪结构次之，最后是框架结构。框架结构的地基沉降量分别比剪力墙结构和框剪结构大45%和20%，差异沉降量分别比剪力墙结构和框剪结构大62%和26%。

(2) 在正常使用阶段，由于结构恒载、活载的作用，主体结构相比于施工阶段将有一个继续下沉的过程，地基沉降量有明显的增大。三种不同的结构形式下主体结构地基平面上各点的沉降量如图5所示。

图4 三种结构形式地基沉降量对比(施工阶段)

图5 三种结构形式地基沉降对比(正常使用阶段)

通过对比可以看出，剪力墙结构的最大沉降量为6.26 cm，框剪结构和框架结构分别为7.23 cm和8.23 cm。框架结构的地基最大沉降量分别比剪力墙结构和框剪结构大31%和14%，差异沉降量分别为剪力墙结构和框剪结构的4倍和2倍。

(3) 在地震作用下，三种结构形式的受力特点相差较大，采用反应位移法进行分析。

通过对比三种结构在地震作用下的应力云图，得出：框架结构的框架柱节点应力非常大，最大应力达25 MPa，极有可能导致严重破坏；框剪结构中，底层柱的最大应力为17.6 MPa；而剪力墙结构中的局部墙体最大应力为6.0 MPa，此数值为框架结构相应数值的24%，为框剪结构的35%。

4 地下变电站主体结构工程造价分析

工程造价是地下变电站主体结构的选型过程中必须考虑的因素。除了主体结构材料的费用之外，设计时还需考虑不同结构形式下楼盖高度引起层高增加而导致的附加费用及结构底板的造价等。

下面分别以两个典型地下变电站为例，对上海、北京两地区地下变电站主体结构工程造价进行分析和对比。

4.1 上海地区地下变电站主体结构造价

以上海市济南路220 kV地下变电站设计为母本，对剪力墙结构、框剪结构以及框架结构三种地下变电站的结构方案的造价进行综合性的对比，计算结果如表2所示。

表2 三种结构形式总造价(上海)

Table 2 Total cost of three forms (Shanghai)

通过表2可以看出，对于上海地区的地下变电站，剪力墙结构方案造价是框剪结构方案的1.06倍，是框架结构方案的1.15倍。

4.2 北京地区地下变电站主体结构造价

以北京国家电网220 kV地下变电站通用设计为母本，讨论剪力墙结构、框剪结构以及框架结构三种结构方案的工程造价，结果如表3所示。

表3 三种结构形式总造价(北京)

Table 3 Total cost of three forms (Beijing)

通过表3可以看出，对于北京地区的地下变电站，剪力墙结构方案造价是框剪结构方案的1.08倍，是框架结构方案的1.20倍。

5 不同地区地下变电站主体结构选型建议

根据不同地区工程造价、水文地质条件和受力合理性等方面的差异，以及上述有限元计算分析结果，本节对地下变电站主体结构的选型提出合理化建议。如前所述，鉴于北京、上海两地区城市地位的特殊性和水文地质条件的典型性，本节主要针对这两地区的地下变电站主体结构选型提出建议。

5.1 上海地区地下变电站主体结构的选型

上海是典型的软土地区，土层主要由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质组成，软土的软弱性和流变性均对上海地区的地下变电站结构整体性能提出了很高的要求。此外，研究表明，软弱土层中的浅埋地下结构在地震时更易遭受严重破坏。

故而上海地区的地下变电站选型应充分考虑该地区的水文地质条件和抗震性能。

通过前面的计算和分析，综合考虑上海地区的情况，总体上推荐上海地区的地下变电站使用剪力墙结构，土层条件比较好的地段或其他对结构有特殊要求的情况可以考虑使用框剪结构，一般条件下最好不使用框架结构。主要的理由有以下几点：

(1) 剪力墙结构虽然造价偏高，但其整体刚度大，整体性好，抵抗不均匀变形的能力强，抗震性能好，用于上海软土高水位地区是非常合适的。且其造价也只是比框架-剪力墙结构高6%，比框架结构高15%。

(2) 框剪结构的结构性能比剪力墙结构稍差，综合造价与剪力墙结构相差不明显，在土层条件比较好的地段或者结构布置需要时可以考虑采用。

(3) 框架结构刚度比剪力墙结构和框剪结构小，整体性比较差，在软土地区抵抗竖向不均匀变形的能力差；框架节点抗震性能较差；地下变电站竖向荷载和水平水土荷载都非常大，对框架结构的截面尺寸要求很高，容易形成高梁和胖柱；而框架结构往往因为层高问题加大了基坑开挖的费用，在总造价上也没有特别明显的优势，故在上海地区不推荐采用框架结构。

5.2 北京地区地下变电站主体结构的选型

北京地区土层是典型的北方硬土层，主要由第四纪沉积土构成，部分地区埋藏有风化岩层，其下部广泛分布第三纪地层。总体来说，北京地区的土层可塑性好，便于施工。

通过前面的计算和分析，综合考虑北京地区的情况，总体上推荐北京地区的地下变电站使用框剪结构；在土层条件非常好的地方可以使用框架结构，以节省造价；由于北京地区整体土层条件比较好，地下水位也不高，使用剪力墙结构整体上偏保守，除非特别重要的地下变电站，一般不推荐使用剪力墙结构。主要的理由有以下几点：

(1) 剪力墙结构整体刚度大，整体性好，抵抗不均匀变形的能力强，但在北京地区，由于整体土层情况较好，土质较硬，虽近年来有南水北调工程，但总体地下水位依然不高，经实测，北京多座地面总重超过20万吨的超高层建筑结构封顶时的总沉降一般也不会超过60 mm，而地下变电站加上活载的总重也不及10万吨，所以总的沉降量不会很大，不均匀沉降也相应较小。且剪力墙结构造价比框剪结构高8%，比框架结构高20%。

(2) 在北京地区，框剪结构基本上能够满足结构抵抗不均匀沉降的要求，利用剪力墙竖向刚度大的特点承担主要竖向荷载，利用框架柱对空间使用影响较小的特点将框架柱布置在电容室、电缆层等位置，可以解决梁的大跨度问题。

(3) 框架结构最大优势在于造价低。一方面是结构本身材料用量省，另一方面是层高增加引起的附加土方开挖费用、基坑围护费用比上海地区要低得多。在地层特别好的地区，使用框架结构，也不会引起太大的不均匀沉降。但是，框架节点应做专门的抗震设计。

6 结 论

本文综合性地利用了有限元软件对地下变电站的复杂三维结构进行了有限元模拟计算，并考虑了“结构—土体—抗拔桩”的共同作用，较为真实地反映了处于土体环境中的地下变电站结构在施工阶段、正常使用阶段及地震作用下的结构响应。并根据有限元分析结果，依据北京、上海两地的水文地质条件、工程造价等因素，对这两地的地下变电站主体结构形式提出了合理化建议。得出的研究结论主要包括以下几点：

(1) 在施工阶段，剪力墙、框剪、框架三种结构形式均能满足抗浮要求；剪力墙结构的整体性最好，框剪结构次之，最后是框架结构。

(2) 在正常使用阶段，剪力墙结构的地基最大沉降量和差异沉降量都最小，框剪结构次之，最后是框架结构。

(3) 在抗震性能方面，剪力墙结构和框剪结构明显优于框架结构，框架结构的框架柱往往是地震中最先破坏和破坏程度最严重的构件。

(4) 工程造价方面，剪力墙结构造价最高，框剪结构次之，框架结构最经济。

(5) 总体上推荐上海地区地下变电站使用剪力墙结构，土层条件比较好的地段或其他对结构有特殊要求的情况可以考虑使用框剪结构，一般条件下最好不使用框架结构。

(6) 总体上推荐北京地区地下变电站使用框剪结构；在土层条件非常好的地方可以使用框架结构，以节省造价；除非特别重要的地下变电站，一般不推荐使用剪力墙结构。

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Selection and Analysis on Structural Types for Underground Substations

GAO Dongqi1,*CAO Linfang2XU Yizhi1JIANG Bo2LIU Shaobin1

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Shanghai Eclectic Power Design Institute Co., Ltd, Shanghai 200025, China)

Based on the characteristics of underground substations in Shanghai and Beijing areas, mechanical behaviors and seismic performances of different structural types were conducted by using the finite element analysis software Midas-GTS. Moreover, systematic analysis and discussion on the selection and optimization of main structural types for underground substations were presented.

underground substation, main structure, selection, finite element analysis

2013-11-20

国家电网公司科技项目(5150011044)

*联系作者，Email: dongqigao@126.com