户内变电站10kV配电室楼面均布活荷载取值建议

许 饶 张肖峰 胡乐生 范 卉

（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 2.仲恺农业工程学院）

0 引言

城市电力负荷增长迅速，大量高电压等级变电站需要建设在城市中心，变电站建设对城市的规划与景观产生很大影响。与常规户外变电站相比较，城市户内变电站具有占地小、建筑外观与周围环境协调的优势，特殊建设条件下还与其他建筑物结合建设，综合利用土地资源，因此城市户内变电站在城市建设和发展中应用愈来愈广泛［1］。户内变电站的广泛建设，给城市的发展带来了新的动力，但同时也给建筑结构设计人员带来了新的挑战。

户内变电站属于综合性工业建筑，一般包含配电室、电抗器室、电容器室、继电器室、通讯室和GIS室等电气设备室，电气设备具有昂贵、自重大、体积大的特点。在设计户内变电站时，电气设备的荷载取值是变电站结构可靠性分析的重要内容之一，也是结构构件设计的最重要的、最复杂的参数之一。如果荷载的性质、分布规模估计得不准确，那么无论结构或结构构件的力学计算多么准确，也不可能给出符合实际情况的分析结果。因此，准确掌握荷载的性质，采用合理的荷载标准值是结构可靠性分析的前提［2］。

我国现行DL／T 5457—2012［3］《变电站建筑建筑结构设计技术规程》提供了变电站建筑物楼面均布活荷载标准值及有关系数，其中10kV配电装置室的楼面均布荷载为4.0～7.0 kN／m2，且限用于每组开关重量小于或等于8.0kN。经调研，目前大部分厂家的每组10kV开关重量大于8.0kN，部分开关重量达到12.0kN，造成设计取值困扰。

作者对国内多家设备厂家进行调研，统计归纳各个厂家每组10kV配电柜的重量；并对国网和南网标准设计中10kV配电装置室的楼板尺寸大小进行统计，归纳了变电站设备房间楼板常用尺寸；最后在考虑电抗器最不利布置的前提下计算等效均布活荷载。

1 楼面等效均布荷载计算方法

户内变电站作为工业建筑，楼面活荷载主要为电气设备，电气设备相对固定，且不同设备房间的设备荷载具有一定规律性，可按《建筑结构荷载规范》［4］5.2.1的计算方法确定楼面等效均布荷载。在计算楼面等效均布荷载时，假定结构的支承条件均为简支，即按弹性阶段分析内力。这对实际上为非简支的结构以及考虑材料处于弹塑性阶段的设计时会有一定的误差，但满足实际工程结构需求。

GB50009—2012《建筑结构荷载规范》附录C基于较多假设条件，提供了手算计算公式。为追求更加精准的计算结果，采用MIDASGen三维有限元软件，按板内分布弯矩等效的原则分析楼板内力。

在楼板上施加1kN／m2的均布面荷载，得到单位荷载下楼板的最大弯矩M1，然后考虑最不利布置形式设置设备荷载，并在设备外区域施加2.0kN／m2活荷载，计算得到楼板的实际弯矩最大值M2。再通过式（1）计算得到户内变电站楼面等效均布荷载q：

2 电气设备重量调研

为取得近年来电气设备真实资料，笔者对国内知名的五家电气设备厂家进行调研，获取了各厂家10kV配电装置室典型布置形式和屏柜重量。其中， 10kV配电室典型布置形式如图1所示。

图1 10kV配电室典型布置形式

如图1所示，10kV配电室常用的配电柜主要有：接地变柜、主变进线柜、分段断路器柜、分段隔离柜、电抗器进线柜、电容器进线柜、馈线柜、接地变柜和站用变柜等。

调研获取的厂家数据繁多，作者对调研获得的数据进行核实、筛选，分析统计得到各类屏柜的自重，并将10kV配电室屏柜分为“大型屏柜”和“小型屏柜”两种，其中“大型屏柜”主要包括主变进线柜、分段断路器柜，小型屏柜主要包括分段隔离柜、电抗器进线柜、电容器进线柜、馈线柜、接地变柜等。两种类型屏柜基本信息见表1。

表1 10kV配电室屏柜基本信息

3 户内变电站楼板尺寸调研

户内变电站设备楼板内力除与设备尺寸、重量相关外，也与楼板尺寸大小和受力模式（单向板或双向板）关系密切。笔者收集了国内十几个已投产户内变电站的设计方案，并参考行业标准设计图集，统计归纳户内变电站设备房间楼板尺寸的特征。

经调研整理发现，我国户内变电站10kV配电室的楼板尺寸无明显规律，部分变电站楼板尺寸大至9m，部分小至3m。针对这种情况，本文将计算楼板尺寸分别为3m×2m、3m×3 m、4m×2 m、4m×3 m、4m×4 m、5m×2 m、5m×3 m、5m×4 m、6m×2 m、6m×3 m、6m×4 m、7m×2 m、7m×3 m、7m×4 m、8m×2 m、8m×3 m、8m×4 m、9m×2 m、9m×3 m、9m×4 m的内力，并根据计算结果分析楼板内力与楼板尺寸的关系。

4 有限元模型及结果分析

4.1 荷载布置原则

根据图1的典型布置形式，户内变电站10kV配电室的屏柜一般紧凑布置一行，中间设置巡检通道。根据楼板受力特点分析，最不利布置形式应为“大型屏柜”布满楼板中间区域，如图2所示。

图2 10kV配电室最不利布置形式

图中，a1＝（a－n×1.0）／2，b1＝（b－1.55）／2，a为楼板长度，b为楼板宽度，n为楼板跨度内屏柜数量，a1和b1分别为楼板长度和宽度方向剩余空间。建立模型时将a1、b1和n作为变量，从而实现快速建立多个有限元模型。

4.2 模型建立

本次计算采用结构工程领域通用有限元软件MIDASGen进行建模，共建立了40个有限元模型分别计算各个楼板尺寸在单位荷载及实际设备荷载作用下的弯矩值。

本文仅展示3m×3m楼板的单位荷载及实际设备荷载模型，如图3及图4所示。楼板采用壳单元，楼板边界采用简支约束，楼板有限元网格尺寸为0.05m，混凝土泊松比取0.2。

图3中3m×3m的楼板布置1kN／m2的单位荷载，计算得到单位荷载作用下的楼板两个方向的弯矩值为Mx1和My1。图4中3m×3m的楼板中间屏柜区域布置7.8kN／m2的设备荷载，并在两侧巡检通道布置2.0kN／m2的楼面活荷载，计算得到两个方向的弯矩值为Mx2和My2。根据等效均布荷载的定义q ＝max｛Mx2／Mx1，My2／My1｝，求得的楼板等效均布荷载。

图3 3m×3m楼板单位荷载模型

图4 3m×3m楼板实际设备荷载模型

4.3 结果分析

根据上述有限元模型及计算方法计算得到10kV配电室不同尺寸楼板在单位荷载及实际设备荷载作用下的弯矩，这里仅展示3m×3m楼板的弯矩云图如图5、图6所示。

图5 3m×3m楼板单位荷载作用下弯矩

图6 3m×3m楼板实际设备荷载作用下弯矩

统计各个尺寸楼板在单位荷载及实际设备荷载作 用下的弯矩及等效均布荷载如表2所示。

表2 不同尺寸楼板的弯矩及等效均布荷载

由表2计算结果分析可见，楼板尺寸越小，计算得到的楼面等效均布活荷载越大。这是由于楼板尺寸越小，10kV开关设备占用面积比例越大，从而使得楼板弯矩值越大。另外发现，当楼板长度尺寸大于5m后，楼板长度尺寸继续增大对等效均布荷载的影响程度较小。

由表2可知，户内变电站10kV配电装置室楼面均布荷载集中在5.0～8.0kN／m2，与现行标准［3］的参考值4.0～7.0kN／m2基本吻合。本文计算得到的等效均布荷载上限超现行标准，主要由于现行标准规定的每组开关重量的8kN小于本小组调研结果的12kN。而本文计算时采用了全部布置“大型屏柜”，且考虑最不利布置方案，故得到的等效均布荷载下限值大于先行标准推荐的下限值。

综合上述分析，本文推荐10kV配电装置室的楼面均布活荷载标准值为4.0～8.0kN／m2，并将限定条件设置为每组开关重量小于等于12kN［5］。

5 结束语

本文采用数值模拟方法，分析了户内变电站10kV配电装置室的楼面均布活荷载，得到以下结论：

1）楼板尺寸越小，楼面均布活荷载越大。当楼板长度尺寸大于5m后，楼板长度尺寸继续增大对等效均布荷载的影响程度较小。

2）10kV配电装置室的楼面均布活荷载标准值建议值为4.0～8.0kN／m2，并将限定条件设置为每组开关重量小于等于12kN。