变电站建筑屋面形式及结构柱选型研究

2022-11-26临沂正信工程勘察设计有限公司王士尊国网上海市电力公司刘思思刘步顺

电力设备管理 2022年11期

临沂正信工程勘察设计有限公司郑艳谭芳王士尊于璐国网上海市电力公司刘思思刘步顺

前言

目前，山东省内110kV及以下电压等级的变电站多采用单层钢框架，平屋面的结构形式；梁柱多采用H型钢。根据《国家电网输变电工程通用设计35kV-110kV智能变电站模块化建设施工图设计》2016年版，屋面形式除可采用平屋面外，亦可采用坡屋面；结构梁、柱等主要承重构件宜采用H型钢截面或箱型截面。相比于坡屋面的结构形式，平屋面结构建筑效果较为单一，屋面防水节点处理易出现渗漏，但平屋面结构的受力性能较坡屋面结构简单，受力性能明确，同时施工较为简单。当采用坡屋面时，由于屋顶斜面的设置,使建筑立面增强了变化感,一改传统“火柴盒”式的呆板造型。

针对市区变电站这类有建筑外观要求的变电站，坡屋面建筑形式更能满足变电站周边市区整体的建筑效果。从坡屋面的结构布置方式可以看出，与平屋面相比，坡屋面的断面形式为“人”字形，其结构的受力状态与拱、壳结构类似，坡屋面斜板和与之相连的框架梁、柱在实际工作中形成类似于拱的受力状态，并对框架柱有水平方向的推力；与平屋面的受力状态有着很大的差别。而随着坡度的增加，缓解中柱与角柱轴力差值的作用[1]，梁拱对框架柱的水平力越来越大，从而引起的柱顶剪力及弯矩不断增大[2]。

以往的研究多集中在钢筋混凝土框架结构，着重于研究坡屋面结构对常规钢筋混凝土矩形柱的力学影响。与钢筋混凝土框架结构相比，屋面形式对单层钢框架结构柱的选型影响研究则几乎没有，而进一步地钢结构柱的选型及钢结构的屋面形式对变电站建筑物的造价影响研究更是寥寥。

针对这两个问题，本文对屋面形式对变电站单层钢框架结构的结构柱选型影响进行了研究，旨在研究屋面形式对变电站单层钢框架结构的结构柱选型、钢框架整体结构及变电站建筑物造价影响。通过对结构分析及框架用钢量的经济性分析，确定平屋面及坡屋面情况下最优的结构柱选型，为后续变电站工程单层钢框架结构的设计提供便利。

1 屋面形式对变电站单层钢框架结构柱选型影响的研究

本文选取《国家电网输变电工程通用设计35kV-110kV智能变电站模块化建设施工图设计》2016年版110-A2-4方案作为研究对像，根据已有工程经验并结合PKPM软件试算结果，通过四个方案的结构对比研究平屋面形式及坡屋面形式下钢框架结构的结构柱选型。平屋面采用结构找坡，坡度设定为5%；坡屋面为满足电气设备吊装净距要求、方便后期施工、防止因坡度超度25%导致采取额外的防水卷材及混凝土防脱落固定措施，并结合已有工程经验，设定配电装置室各室屋面坡度为16.5%。方案详情如表1所示。

配电装置室结构参数设定如下：地震设防烈度采用8°（0.2g），第二组，场地类别采用II类，建筑抗震设防类别为丙类；屋面恒荷载为1.5kN/m2，活荷载为1.5kN/m2，建筑屋面均按不上人屋面考虑，本次研究中不考虑设备吊钩荷载对结构的影响。结构建模计算软件这里采用的是PKPM软件SATWE V5.2.2版。

通过PKPM软件SATWE 模块进行计算，可以得到结构相关参数如表2所示。从表1可以看到：

四种方案的指标并没有什么大的区别，质量比、最小刚度比1、最小刚度比2、最小楼层受剪承载力比值这几个指标基本一样；而其余的指标尽管有差异，但是相差不多。

从结构受力体系的合理程度上分析，采用方案一时工字钢柱+平屋面模式时，结构布置传力途径明确，次梁传至主梁、主梁传至柱强轴方向，受力方式合理；采用方案二箱型钢柱+平屋面模式时，结构布置传力途径明确，次梁传至主梁、主梁传至柱（无强弱轴之分），受力方式同样合理；采用方案三工字钢柱+坡屋面模式时，结构布置传力途径较明确，但存在主梁负担较大荷载后传至柱弱轴方向，不是典型工字钢柱受力模式，建议后续工程建筑方案应考虑结构布置，调整此类方案；采用方案四结构采用工字钢柱+坡屋面模式时，结构布置传力途径明确，次梁传至主梁，主梁传至柱（无强弱轴之分），受力方式合理。