变电站钢框架建筑物的设计及应用

李天浩，张秉灿，翟相鹏，张晓阳，张戊晨

（1.国网河北省电力有限公司经济技术研究院，河北 石家庄 050021；2.中国核电工程有限公司河北分公司，河北 石家庄 050000；3.国网河北省电力有限公司检修分公司，河北 石家庄 050071；4.中国电建集团河北省电力勘测设计研究院有限公司，河北 石家庄 050031）

随着我国经济技术的快速发展，传统的钢筋混凝土框架建筑虽然有造价低、易取材、耐久性、耐火性好的优点，但是其施工现场粉尘噪声污染严重、施工周期长、施工材料可回收利用率低等劣势逐渐成为阻碍其发展的主要因素。而以环境污染小、建设效率高、施工质量好、施工材料可回收利用率高、抗震性能优越[1]为特点的装配式钢框架结构作为一种新兴起的建筑结构形式越来越成为现代化建筑的主要结构形式，尤其是在变电站的建筑物建设中，发挥着越来越重要的作用。

1 装配式钢框架结构建筑物的设计理论

1.1 安全等级和可靠度

钢框架结构设计采用以概率理论为基础、以分项系数表达极限状态的设计方法[2]。建筑结构安全等级的划分应符合表1的规定。

表1 单点高程中误差分布

表1 建筑结构的安全等级

结构构件持久设计状况承载能力极限状态设计的可靠指标，不应小于表2的规定。

表2 结构构件的可靠指标β

1.2 极限状态设计理论

当采用结构的作用效应和结构的抗力作为综合基本变量时，结构按极限状态设计应符合下列规定

式中:R为结构抗力；S为结构的作用效应。

1.3 分项系数设计方法

1.3.1 承载能力极限状态

结构或结构构件的破坏或过度变形的承载能力极限状态设计，应符合下式规定

式中:γ0为结构重要性系数，见表3；Sd为作用组合的效应设计值；Rd为结构或结构构件的抗力设计值。

表3 结构重要性系数γ0

1.3.2 正常使用极限状态

结构或结构构件按正常使用极限状态设计[2]时，应符合下式规定

式中:Sd为作用组合的效应设计值；C为设计对变形、裂缝等规定的相应限值，按有关结构设计规定取值。

2 装配式钢框架结构建筑物的设计方法

2.1 实际变电站工程构件尺寸的设计方法

实际变电站工程中钢框架结构构件的截面尺寸，要经过以下步骤。

2.1.1 预估变电站框架钢柱的截面尺寸

（1）根据电气一次、二次、通信等相关专业提供的资料、技术规程规范、输变电工程通用设计[3]以及施工工艺的要求确定结构层高、层数、跨度、柱距，根据结构高度，设防烈度确定结构的抗震等级、钢柱的长细比[4]及钢材牌号[5]；

（2）根据上一步预估的层高、层数、跨度、柱距，估计钢柱的截面高度以及轴心受压钢柱的稳定系数Ψ[5]；

（3）根据变电站设计规范[6]以及荷载规范[7]，确定结构的荷载标准值以及荷载分项系数；

（4）根据以上预估的结构空间、平面布局、钢柱的荷载从属面积以及荷载标准值、荷载分项系数，确定每根钢柱的轴向压力设计值[4]；

（5）根据以上预估的钢材牌号以及轴向压力设计值利用公式（4）来确定钢柱的截面面积；

式中:N为钢柱的轴向压力设计值；Ψ为钢柱轴心受压的稳定系数；f为钢材抗压强度设计值；A为钢柱的截面面积。

（6）根据以上计算出来的钢柱截面面积，确定钢柱的截面尺寸。钢柱截面尺寸还应符合相关规程规范[4]规定的要求。

2.1.2 预估框架钢梁的截面尺寸

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

（2）钢梁的宽度一般取高度的1/1.5～1/3，b＝（1/1.5～1/3）h，其中，h为钢梁的高度；b为钢梁的宽度。

钢梁腹板、翼缘的厚度还应符合相关规程规范规定的要求。

2.1.3 预估框架楼板的截面尺寸

（1）根据规范要求[8]（根据楼板长边尺寸与短边尺寸的比值）确定楼板为单、双向板。

（2）单向板的厚度可根据经验取楼板短边尺寸的1/35[9]。

（3）双向板的厚度可根据经验取楼板短边尺寸的1/40。

除了满足上述要求外，楼板的厚度还应符合相关的规程规范的要求。

2.2 建立软件模型

建立软件模型中的构件定义步骤中，需要将上述步骤中预估好的钢框架结构梁、柱的截面尺寸输入PKPM 软件模型中，与此同时，加上荷载规范[7]中相应的荷载数值，接着定义楼层并进行楼层组装，最后进行结构计算分析。

由于变电站钢框架结构一般层数较少且结构相对规则，所以一般采取SAT WE 进行结构计算分析。SAT WE 不仅计算精度高，还提供了多种构件的简化模型，与此同时，还能进行不同荷载下的荷载效应组合和内力分析，最后进行基础设计。

下面将软件中结构计算分析可能得到的超限类型以及相应的调整方法以列表的形式汇总展示，具体如表4所示。

表4 超限类型及调整方法

3 实际工程应用及经济效益情况

3.1 应用效果

在河北省南部电网的实际变电站工程设计应用中，本文论述的设计方法具有以下特点。

（1）针对性强。针对变电站钢框架结构的每一个结构构件，本文给出尺寸确定方法，能够使设计人员对每一种结构构件快速确定尺寸，最大限度地避免了因为缺乏确定结构构件尺寸的针对性带来的困扰。

（2）实操性强。本文论述的设计方法详细阐述了结构构件尺寸确定、建立模型、调整模型直至输出施工图的每个环节，具有很强的实操性以及工程指导意义，能够指导设计人员进行设计流程操作。

（3）节约工程设计时间成本。论述的设计方法能够使设计人员快速地进行实际工程的结构设计，避免了因为查阅资料、盲目问询带来的时间上的浪费。以河北省南部电网新建的各电压等级变电站建筑物设计情况为统计标本，应用本文论述的设计方法，平均每个工程的设计时间节约15%～20%。

3.2 经济效益分析

结合河北省南部电网一些常规变电站的通用做法，以单层配电楼建筑物为例，参考现浇钢筋混凝土框架结构，下面从施工工期、施工整洁度、单平造价、材料回收利用率这几个指标以列表的形式对比2种建筑物形式的经济效益，具体如表5所示。

表5 2种建筑物形式的经济效益

通过表5得知:虽然装配式钢框架结构的单平造价指标要高于钢筋混凝土框架结构，但是采用装配式钢框架的结构在施工工期、施工整洁度、材料回收利用率这几个指标要优于现浇钢筋混凝土框架结构。此外，装配式钢框架结构的立面效果好于钢筋混凝土框架结构，有利于变电站工程的创优。

表5只选取了变电站中的配电楼建筑物模块进行对比分析，在宏观经济层面的经济效益分析中，可对整个变电站甚至整个输变电工程的总投资收益率、财务内部收益率、资本金净利润率、财务净现值、投资回收期[10-12]等宏观经济指标进行对比分析，做到对整个输变电工程整体投资情况以及经济效益的精准把控。

4 结论

本文讨论的装配式钢框架结构的设计理论方法具有很强的针对性、实操性、工程指导价值，且节约了工程设计时间成本。并且与现浇钢筋混凝土框架结构相比，具有很好的工程经济效益。虽然现浇钢筋混凝土框架结构与装配式钢框架结构在各自的发展过程中，对国民经济都起着至关重要的作用。然而随着国民经济的提高、建筑技术的发展以及建筑行业经验的积累，在降噪减排、节能环保、文明施工、模块化建设、经济效益等方面对建筑结构提出了更高的要求。因此，装配式钢框架结构的优势逐渐凸显，在变电站的某些建筑物建设中逐步地取代了现浇钢筋混凝土框架结构，越来越成为变电站建筑物的主要建筑结构形式，符合时代、社会的发展要求。