交叉支撑对220kV全户内变电站钢框架结构抗震性能影响与设计研究

赵飞 杨力 张悦洋

1.中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司 安徽 合肥 230601；2.深圳供电规划设计院有限公司 广东 深圳 518066

引言

为避免结构承载力和刚度突变，《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）对各类建筑结构的建筑形体及其构件布置的规则性提出了一系列要求，220kV全户内变电站钢框架结构存在楼板局部不连续、凹凸不规则、扭转不规则3项平面不规则类型，结构在地震作用下存在明显的抗震薄弱部位，抗震性能较差，本文围绕交叉支撑对220kV全户内变电站钢框架结构抗震性能的影响，深入探讨基于交叉支撑的220kV全户内变电站钢框架结构抗震设计要点。

1 影响分析

1.1 工程概况

本文以合肥鼓山220kV变电站作为研究对象，该变电站为220kV全户内变电站，主变压器、GIS设备等所有配电装置均位于一栋配电装置楼内。配电装置楼整体轴线尺寸为69×40m，地下1层、地上2层。地下1层为电缆间，层高为4.10m，建筑面积为2859m2；地上1层布置有二次设备室、资料室、机动用房、安全工具间、蓄电池室、35kV配电装置室、GIS室、散热器室、主变压器室等，层高为5.4m/11.80m，建筑面积为2607m2；地上二层为电容器室，层高为6.40m，建筑面积为867m2。

1.2 模型分析

基于上述案例，为明确交叉支撑对抗震性能的影响，需针对性建立纯框架模型和“框架+支撑”模型。案例配电装置楼为典型的钢框架结构，结构在纵、横两个方向均为刚接框架，刚接框架负责提供空间刚度和承载能力。钢柱采用箱型截面，钢梁采用H型截面，梁柱钢材均采用Q355B，楼板及屋面板采用钢筋桁架楼承板。案例配电装置楼以“发泡混凝土复合轻质墙板+纤维水泥板”为外墙板，130mm厚的钢筋桁架楼承板为屋面和楼面，具体规格为HB2-100，基于具体设计参数，建立配电装置楼纯框架模型[1]。

基于配电装置楼纯框架模型，加入交叉支撑，即可得到“框架+支撑”模型，这一过程需同时优化梁柱截面，图1为优化后的配电装置楼支撑布置及结构。

图1 优化后的配电装置楼支撑布置及结构

结合图1进行分析可以发现，具体在A轴、B轴、D轴的5～6轴及9～10轴设置交叉支撑，考虑到交叉支撑的侧向刚度提供作用，因此原采用箱型钢柱的A轴、C轴和D轴需要变更设计为H型钢柱，具体在宽度方向布置钢柱强轴，在长度方向布置钢柱弱轴，H500×450×18×22、H500×500×18×25、H550×450×18×22截面分别取代原有的箱型450×500×16×16m、500×500×20×20、450×550×18×18截面。设置交叉支撑后，还需要通过铰接连接取代长度方向A轴、C轴和D轴的梁柱刚性连接，宽度方向不变。铰接的梁柱连接可进一步优化钢梁截面，具体通过H400×200×8×12、H500×250×10×16，分别取代原有的H500×250×10×16、H550×250×10×16，最终可得到“框架+支撑”模型[2]。

1.3 抗震性能影响

为明确交叉支撑加入后的配电装置楼抗震性能变化，需围绕扭转位移比、竖向构件地震剪力、变形指标、钢柱应力比共四方面进行分析。

通过对比扭转位移比可以发现，纯框架模型X方向、Y方向的最大层间位移比分别为1.37、1.23，“框架+支撑”模型则分别为1.09、1.18，结合《建筑抗震设计规范 应用与分析》可以确定，“框架+支撑”模型X方向与Y方向扭转均规则，纯框架模型扭转均不规则，这说明“框架+支撑”模型具备更优秀的抗震性能。

对比竖向构件地震剪力可以发现，纯框架模型1层、2层X方向总剪力分别为1590kN、1181kN，Y向分别为1592kN、1189kN，支撑剪力均为0。“框架+支撑”模型的1层、2层X方向框架柱剪力分别为275kN、85kN，支撑剪力分别为2057kN、1649kN，总剪力分别为2332kN、1734kN，Y方向框架柱剪力分别为1645kN、1231kN，总剪力分别1645kN、1231kN，支撑剪力均为0。结合数据进行对比可以确定，“框架+支撑”模型能够显著提升地震剪力，这源于结构刚度增加带来的地震周期减小，支撑承担了主要的地震剪力，在地震力消耗、结构安全保障、抗震性能提升方面表现突出。

对比变形指标可以发现，纯框架模型1层、2层X方向最大位移分别为3.35mm、7.37mm，最大层间位移角分别为1/1635、1/1400，Y方向最大位移分别为3.37mm、7.01mm，最大层间位移角分别为1/1628、1/1378。“框架+支撑”模型1层、2层X方向最大位移分别为1.58mm、3.42m，最大层间位移角分别为1/3480、1/3079，Y方向最大位移分别为3.26mm、6.88mm，最大层间位移角分别为1/1686、1/1421。结合数据对比可以确定，“框架+支撑”模型结构在地震作用下存在明显较小的最大层间位移角和最大位移，可见该结构在地震作用变形控制中表现突出。

对比B轴交9轴钢柱应力比可以确定，纯框架模型、“框架+支撑”模型的钢柱应力比分别为0.65、0.64，这说明基于H型截面的钢柱箱型截优化存在较高合理性，不会影响配电装置楼的抗震性能。

2 设计要点

2.1 结构原始设计

在案例配电装置楼的设计中，该建筑由钢框架结构和钢筋混凝土结构共同组成，地上部分为刚接框架体系，纵、横方向结构均属于典型的刚接框架，刚接框架负责提供空间刚度及承载能力，地下部分为钢筋混凝土结构。设计中钢梁、钢柱分别为H型截面、箱型截面，钢筋桁架楼承板在设计中作为屋面板和楼板。考虑到凹凸不规则、扭转不规则、楼板局部不连续存在于钢框架结构中，显著的抗震薄弱部位存在于结构原始设计中，这使得案例配电装置楼的抗震性能较差。

2.2 结构优化设计

案例配电装置楼结构设计安全等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度7度，上人、不上人屋面活荷载标准值分别为0.5kN/m2、7.0kN/m2，35kV配电装置室、楼梯、GIS室、二次设备室、电容器室的活荷载标准值分别为7.0kN/m2、4.0kN/m2、10.0kN/m2、4.0kN/m2、9.0kN/m2。基于上述设计参数，案例配电装置楼选择十字交叉支撑作为多层框架结构支撑，支撑截面可使用十字双角钢、槽钢、H型钢、背靠背双角钢、钢管等，但需要保证截面板件宽厚比及支撑杆件长细比满足国家规范要求。

配电装置楼设置有二次设备室、机动用房、蓄电池室、GIS室、主变压器室、散热器室、35kV配电装置室、安全工具间、资料室、电容器室等房间，支撑布置需要考虑功能房间的正常使用不受影响。

经过分析可以发现，穿墙套管存在于35kV配电装置室与主变压器室间，因此支撑无法设置，不存在穿墙套管等构件的35kV配电装置室与散热器室间可设置支撑，通过在内墙系统设置支撑，房间功能使用受到的影响能够降到最低，房间观感也不会受到影响。配电装置楼具体在#2、#3散热器室的对应位置设置支撑，每层设置交叉支撑6道，高度同层高，宽度同散热器室宽度，支撑杆件长度较长，考虑到截面板件宽厚比及杆件长细比控制要求，选择Q235B材质的钢材，同时以HW300×300作为支撑截面。

考虑到交叉支撑的侧向刚度提供作用，案例配电装置楼的钢柱及钢梁截面可以进行优化。将原箱型钢柱变更设计为H型钢柱，在宽度方向布置钢柱强轴，在长度方向布置钢柱弱轴布置，支撑所在纵向框架梁柱连接由刚接改为铰接。

2.3 优化设计要点

结合上文开展的纯框架模型与“框架+支撑”模型抗震性能对比，可明确以下几方面220kV全户内变电站钢框架结构抗震设计优化要点：第一，科学设置交叉支撑，配电装置楼钢框架结构可通过这种优化设计实现扭转位移比改善，结构的不规则性减少及抗震性能提高；第二，加设交叉支撑后，配电装置楼钢框架结构的地震总剪力88%～95%由交叉支撑承受，支撑承担地震剪力使其成为第一道地震力消耗防线，地震力实现有效消耗，第二道地震力消耗防线为钢框架，地震作用下结构的安全性更好得到保障；第三，交叉支撑的加设可保证配电装置楼钢框架结构显著降低地震带来的变形，结构变形产生的一系列不利影响自然能够有效规避；第四，交叉支撑加设后可同时减少配电装置楼钢框架结构用钢量，因此该优化设计在经济性方面的优势较为显著，在行业内部具备较高推广价值[3]。

3 结束语

综上所述，交叉支撑能够提升钢框架结构抗震性能。在此基础上，本文涉及的模型分析、抗震性能影响、结构原始设计、结构优化设计、优化设计要点等内容，则直观展示了交叉支撑的应用价值及方法。为更好提升配电装置楼的抗震性能，智能化设计技术应用、罕遇地震下的弹塑性分析等方面同样需要得到重视。