户内变电站GIS室均布活载标准值及复核方法研究

陈庆烈，甘伟昌，黄达余，黄 锐，田效军

(1. 中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310012；2. 国网浙江省电力有限公司温州供电公司，浙江 温州 325000)

0 引言

随着我国城镇化水平的日益提高，城市电网建设的要求也越来越高。由于节约城市用地、建筑美观协调的优势，城市户内变电站在城市建设和发展中的应用越来越广泛。目前，城市户内变电站朝着集中集约建设联合建筑、电气设备紧凑制造、三维设计技术应用、全寿命周期建设绿色环保变电站方向发展[1-2]。气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal- enclose switchgear，GIS)具有占地小、安装快、维护少、抗污秽、可靠性高和抗震性强等特点，近年来已经成为户内变电站(以下简称“户内变”)的首选设备[3-5]。

在户内变结构设计中，GIS室设备荷载通常以活荷载的形式布置，DL/T 5457—2012《变电站建筑结构设计技术规程》[6](以下简称《规程》)规定，110～220 kV GIS组合电器楼面均布活荷载标准值不应小于10.0 kN/m2，且在计算墙、柱、主梁、基础时采用活荷载折减系数0.7。马福雷[7]等统计了国内主要厂家的220 kV GIS设备荷载，分最大单体设备和最大基础集中联合设备两方面进行等效活荷载计算，建议设计活荷载标准值取10 kN/m2，但未提及活荷载折减系数。刘小云等[8]在现行技术规范基础上，结合中化110 kV紧凑型配电装置楼结构设计，研究了110 kV变电站气体绝缘开关设备荷载等效简化的计算方法。施圣东[9]结合具体工程，计算了一个变电站电气设备室楼面均布等效活荷载。

针对《规程》建议的220 kV户内变GIS室楼面均布活载标准值及有关系数，本文通过对多个工程实例的计算分析，验证《规程》取值的合理性，探究一种用于施工图设计阶段设备资料齐全后复核GIS室楼面均布活载标准值的便捷有效方法。

1 工程实例分析

1.1 结构及荷载布置

220 kV半山变电站GIS室的结构布置如图1所示。220 kV户内变GIS室的布置方式和结构形式大体相同，即电气间隔布置紧凑、框架结构为短边单跨且跨度较大，选取与GIS室直接相关的框架结构构件进行结构分析。

图1 半山变GIS室结构布置图

初步设计阶段，GIS室楼面均布活载标准值参考《规程》表4.3.1取10 kN/m2。设备资料齐全后，GIS室楼面设备活载以线荷载的方式按实布置，无设备区域的操作活载按均布活载2 kN/m2考虑，荷载布置如图2所示。110 kV GIS室单间隔设备最大轮廓尺寸为7.7 m×1.0 m×3.0 m (长 × 宽 × 高，下同 )，每跨主梁可布置4～5个间隔；220 kV GIS室单间隔设备最大轮廓尺寸为6.0 m×2.1 m×3.5 m，每跨主梁可布置2～3个间隔。

图2 半山变GIS室设备活载按实布置图

1.2 计算结果及分析

借助PKPM软件，计算分析110 kV GIS室钢筋混凝土框架结构分别在设备活载均匀布置10 kN/m2和按实布置情况下的结构效应，得到框架主梁的跨中弯矩、梁端弯矩和梁端剪力(见表1)，以及柱子的轴力、柱底弯矩和柱顶弯矩(见表2)。其中，主梁编号详见图1中的①～⑥，柱子编号同相连主梁编号，比值为按实分布与均匀分布的效应比值，表中的效应值仅为活载作用结果。半山变110 kV GIS室结构效应比值如图3所示。

表1 半山变110 kV GIS室主梁效应

表2 半山变110 kV GIS室柱子效应

图3 半山变110 kV GIS室结构效应比值

由表1、表2和图3可知，对于110 kV GIS室，在初步设计阶段，设备均布活载取10 kN/m2在多数情况下能满足要求，但仍然会出现不满足设计要求的情况，偏于不安全。本文建议初步设计阶段适当提高110 kV GIS室的楼面均布活载标准值。

因110 kV GIS室的主梁效应比值基本大于0.7，故《规程》表4.3.1规定计算墙、柱、主梁和基础时所取的活载折减系数0.7不适用于110 kV GIS室，建议设计时不予采用。

2 楼面均布活载标准值研究

在初步设计阶段，当欠缺设备资料时，应研究110 kV GIS室的楼面均布活载标准值如何取值。由表1、表2和图3可知，主梁跨中弯矩比值相对较大，可以作为结构效应的代表值。为减少计算和统计工作量，以下研究的结构效应均以主梁跨中弯矩为准，楼面均布活载标准值均以主梁等效为准。

线弹性理论分析时，同一框架结构主梁效应M与楼面均布活载标准值q成正比。推导可知，设备活载按实分布时的主梁等效楼面均布荷载标准值qe计算式如下：

式中：M1为设备活载按实分布时的主梁跨中弯矩，kN·m；M2为设备活载参考《规程》表4.3.1取10 kN/m2均匀分布时的主梁跨中弯矩，kN·m。

利用式(1)能够得到半山变110 kV GIS室的楼面均布荷载标准值，见表3所列。

表3 半山变110 kV GIS室楼面均布荷载标准值

利用前述方法，计算并统计多个变电站的110 kV GIS室楼面均布荷载标准值，结果见表4所列。

表4 不同变电站110 kV GIS室楼面均布荷载标准值 kN/m2

由表4可知，110 kV GIS室楼面均布荷载最大值为11.9 kN/m2，且出现多个主梁等效楼面均布荷载大于10 kN/m2的情况。因此，在初步设计阶段，为保证工程量的准确性和结构的安全性，建议220 kV变电站110 kV GIS室的楼面均布活载标准值取12 kN/m2，同时，计算墙、柱、主梁和基础时不对该楼面均布活载乘以折减系数。

同理，计算并统计多个变电站的220 kV GIS室楼面均布荷载标准值，结果见表5所列。

表5 不同变电站220 kV GIS室楼面均布荷载标准值 kN/m2

由表5可知，在初步设计阶段，220 kV变电站220 kV GIS室的楼面均布活载标准值取10 kN/m2能够满足结构设计要求，且结果偏于保守。在24组数据中，仅1组数据(7.1)大于7.0，其余组数据均小于7.0，说明当220 kV GIS室的楼面均布活载标准值取10 kN/m2时，主梁活载折减系数0.7在220 kV GIS室中有很好的适用性。

3 结构复核方法研究

当施工图阶段设备资料齐全后，结构设计人员需复核初步设计阶段所取的GIS室楼面均布活载标准值的安全性、经济性及合理性。相比于设备活载按实分布重新建模计算的复杂验算方法，本文提出了一种便捷有效的复核方法。

3.1 110 kV GIS室楼面均布活载复核

定义“受荷单元”为主梁围成的楼板区域，以半山变110 kV GIS室为例，其尺寸及区域内荷载统计见表6所列。其中受荷单元编号见图1中的编号(1)～(5)。

表6 半山变110 kV GIS室受荷单元尺寸及荷载统计

由GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[10]的第C.0.8条可知：当荷载分布比较均匀时，主梁上的等效均布活荷载可由全部荷载总和除以全部受荷面积求得。而220 kV变电站110 kV GIS室的设备布置大体上比较均匀，故主梁上的等效楼面均布活荷载近似值qa等于主梁受荷楼板范围的总荷载除以全部受荷面积求得。以半山变为例，结合表6，主梁1的等效楼面均布活荷载近似值qa= 8.0 kN/m2，主梁2的等效楼面均布活荷载近似值qa= (8.0×6+4.9×7.5)/(6+7.5) = 6.29 kN/m2，其余类似推导获得。统计不同变电站110 kV GIS室楼面均布荷载标准值qe和近似值qa，结果见表7和图4。

图4 110 kV GIS室qa与qe的拟合关系

表7 不同变电站110 kV GIS室qa与qe数据统计 kN/m2

由表7和图4可知，110 kV GIS室楼面均布荷载标准值qe和近似值qa大致呈线性关系，其一元线性回归方程如下：

其中，ε～ N(0, σ2)，相关系数 r = 0.954，说明两者相关性极强；残差平方和Qc= 9.201，随机误差ε的方差σ2= Qe/(n-2) = 0.418；置信水平为0.95的预测区间上限如图4中的虚线所示。对该虚线进行一元线性回归分析，可得如下回归方程：

其相关系数r = 0.999 7，说明两者相关性极强。可以认为方程(3)是110 kV GIS室楼面均布荷载标准值qe的预测方程或预测直线(如图4实线所示)，且具有95%的安全保证率。

当 qa= 8.5 kN/m2时，qe= 12.0 kN/m2。其实际意义是：当初步设计取110 kV GIS室楼面均布活载标准值为12.0 kN/m2时，待设备资料齐全后利用前述复核方法所计算的楼面均布活荷载近似值qa若小于8.5 kN/m2，则该结构偏于安全，否则需按照设备活载按实分布的方法重新进行结构设计。

另外，该复核方法亦可用于判断设备楼面均布活载标准值的经济性和安全裕度。若楼面均布活荷载近似值qa远小于8.5 kN/m2，说明结构设计的安全裕度较大，同时经济性也较差，比如蒲州变，此时可以适当降低设备楼面均布活载标准值或对主梁采用活载折减系数。笔者认为，当初步设计阶段取110 kV GIS楼面均布活载标准值qe为12.0 kN/m2，通过复核方法计算所得的楼面均布活荷载近似值qa在6.8～7.7之间较为合理，此时安全裕度在10%～20%之间，经济性也较好。

3.2 220 kV GIS室楼面均布活载复核

同理，统计不同变电站220 kV GIS室楼面均布荷载标准值qe和近似值qa，结果如图5所示。

图5 220 kV GIS室qa与qe的拟合关系

由图5可知，220 kV GIS室楼面均布荷载标准值qe和近似值qa大致呈线性关系，其一元线性回归方程如下：

其中，ε～N(0, σ2)，其相关系数r = 0.748，说明两者相关性较强；残差平方和Qc= 6.040，随机误差ε的方差σ2= Qe/(n-2) = 0.275；置信水平为0.95的预测区间上限如图5中的虚线所示。对该虚线进行一元线性回归分析，得到如下回归方程：

其相关系数r = 0.997，说明两者相关性极强。可以认为方程(5)是220 kV GIS室楼面均布荷载标准值qe的预测方程或预测直线(如图5实线所示)，且具有95%的安全保证率。

当 qa= 4.2 kN/m2时，qe= 7.0 kN/m2； 当qa= 7.6 kN/m2时，qe=10.0 kN/m2。其实际意义是：当初步设计阶段取220 kV GIS室楼面均布活载标准值为10.0 kN/m2时，待设备资料齐全后利用前述复核方法所计算的楼面均布活荷载近似值qa≤4.2 kN/m2，则该结构偏于安全且裕度较大，建议计算墙、柱、主梁和基础时对该楼面均布活载乘以折减系数0.7；若4.2 kN/m2＜qa≤7.6 kN/m2，建议不乘以活荷载折减系数；若qa＞7.6 kN/m2，建议按照设备活载按实分布的方法重新进行结构设计。

4 结论

本文通过工程实例的分析，发现了DL/T 5457—2012《变电站建筑结构设计技术规程》关于220 kV户内变GIS室楼面均布活载标准值及有关系数的局限和不足，针对电气间隔布置紧凑、框架结构为短边单跨且跨度较大的GIS室布置形式，经总结多个工程实例的计算结果，得到了以下结论：

1)在初步设计阶段，为保证工程量的准确性和结构的安全性，建议220 kV变电站110 kV GIS室的楼面均布活载标准值取12 kN/m2，同时，计算墙、柱、主梁和基础时不对该楼面均布活载乘以折减系数；

2)在初步设计阶段，220 kV变电站220 kV GIS室的楼面均布活载标准值按照《规程》取10 kN/m2能满足结构设计要求，且结果偏向保守。同时，计算墙、柱、主梁和基础时可对该楼面均布活载乘以折减系数0.7；

3)相比设备活载按实分布重新建模计算的复杂验算方法，本文提出了一种便捷有效的复核方法，用于施工图设计阶段设备资料齐全后复核GIS室楼面均布活载标准值，确保户内变GIS室结构设计的安全性和经济性要求。