浅谈变电站厂房梁设计的裂缝控制

陆婧

兰州倚能电力设计咨询有限公司 甘肃 兰州 730050

引言

在全球能源日益紧张的背景下，我国电网的建设成就举世瞩目，现阶段我国发电量已经升至美国的1.85倍。为了保证电网运行的安全，变电站厂房的建设成为电网建设中的重要一环。由于现阶段变电站厂房的设计过程中，多采用钢筋混凝土结构作为变电站厂房梁。而钢筋混凝土自身的特点，使其在运行的过程中容易受到温度差异、外部负荷而引发裂缝。变电站厂房在运行的过程中电气设备使用较多，对变电站厂房梁所造成的影响也会相对比较严重，因此需要充分考虑到变电站的建设特点，分析变电站厂房梁裂缝的产生原因。

1 变电站厂房梁裂缝的产生原因

1.1 温度裂缝

由于变电站厂房梁在建设的过程中，多采用钢筋混凝土框架，砖砌墙体的形式进行建设。而混凝土梁与砖砌体膨胀系数不一致，其受到温度的影响也有较大的差距，导致两者之间的伸缩量不尽相同。在受到温度的影响下，砖砌体的伸缩量较低，而混凝土因温度而膨胀伸缩的系数，通常在砖砌体的1.9～2.3倍左右，从而导致房梁与墙体之间出现一定的拉压应力作用，当拉压应力超过房梁自身抗拉强度极限的情况下，就会产生相关的应力裂缝[1]。钢筋混凝土结构厂房梁的建设过程中，水泥的水化反应导致结构体内外的温度具有差异，当水泥配比不合理、养护不佳的情况下，厂房梁的内外温差较大，很容易导致温度应力所引起的细小裂缝。而在梁使用的过程中，由于进一步的承重负载，导致细小裂缝相互影响，从而形成肉眼可见的大型裂缝，对其的结构、性能造成影响。

1.2 干缩裂缝

混凝土在浇筑施工的过程中，其中的水分会逐渐受到蒸发，由于水化反应等原因，混凝土自身温度较高的情况下，水分的蒸发速度过快，从而导致混凝土内部出现水分蒸发后的气泡，同时也会导致表层混凝土的变形较大。在厂房梁设计的过程中，若没有把握好混凝土的水泥比例，很容易导致外部形变速度高于内部形变速度，从而导致因内外形变差异而形成的拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度的极限时，就会产生干缩裂缝。同时，部分混凝土在施工的过程中，干缩裂缝的产生往往是不可视的，并在其承受负载的情况下使内部裂缝相互影响，并产生更大的裂缝[2]。

1.3 沉陷裂缝

变电站厂房的建设环境往往较为复杂，因此在进行厂房设计之前，需要对厂房建设地基进行有效的调查。一方面需要做好对地基的处理，避免变电站厂房在使用的过程中出现较大的沉降，从而导致应力存在相对比较集中的情况，使厂房梁受到的应力方向发生变化。当沉降所造成的形变超出房梁耐受极限时，则会导致呈现裂缝的产生；另一方面，在变电站厂房建设的过程中，柱位产生的沉降相对较大，而厂房梁的下部支撑是由各个柱桩所组成的，厂房梁的荷载会随着柱桩传导至地基。若地基的承载能力不够，则可能引起下沉的现象，在沉陷的情况下，会导致厂房梁出现变形的情况，当变形应力超出厂房梁抗剪、抗拉强度极限的情况下，就会导致沉陷裂缝的产生。

2 变电站厂房梁设计的裂缝控制

2.1 计算参数的合理选择

由于变电站厂房结构在建设的过程中多采用框架结构，变电站的厂房梁具有大开间、大跨度的特点。导致其在荷载的过程中，内部的应力影响较大。因此在相关人员进行房梁设计时，需要对房梁裂缝的宽度计算进行有效的处理，从而有效控制房梁的拉伸极限值，以减少各种应力引起的厂房量裂缝现象。

2.1.1 充分考虑梁柱重叠对应力带来的影响。梁柱重叠的过程中会对梁端的弯矩折减和梁端刚域带来影响，在进行计算的过程中，需要充分考虑梁柱重叠是否会对相关的参数带来影响。例如在梁端刚域的情况下，两端的弯矩会有所下降，通常会保持2%左右的下降幅度。而在梁端弯矩折减的情况下，两端的弯矩降低现象会达到12.7%左右。在进行参数计算的过程中，需要考虑到不同梁柱支座中心内力对厂房梁受力情况所带来的影响，实际控制其边缘位置的内力，以提升两端的弯矩折减数值，从而使其能够承受更大的应力，以减少温度或者干缩等情况对厂房梁裂缝宽度计算所带来的影响[3]。由于在计算的过程中，梁端的弯矩折减计算若只采用对组合内力进行折减的情况下，标准内力可能会导致弯矩折减参数出现误差，无法在设计的过程中有效降低裂缝宽度，从而导致计算结果的不准确。因此需要得到设计人员的充分重视。

2.1.2 充分考虑支座宽度对裂缝宽度带来的影响。支座宽度对裂缝宽度带来的影响相对较小，但在计算的过程中不能对其进行缺省、不考虑。而是需要采取有效的措施对支座宽度进行有效的控制，从而在考虑支座宽度的前提下，对裂缝宽度的计算进行合理的控制。例如在平法出图的过程中，裂缝宽度的计算需要充分重视支座中心内力对裂缝宽度标准内力的影响。在实际控制的过程中，需要根据具体的建设情况进行深入分析，从而在变电站场房梁设计的过程中，通过配筋的调整对裂缝宽度进行控制。比如在裂缝宽度控制在0.3mm的情况下，若不考虑支座宽度的影响，房梁的配筋比率会比平均比率增加16%左右；而在裂缝宽度控制到0.2mm时，考虑到支座宽度的影响，可以有效降低配筋的比率。因此在计算的过程中，需要充分考虑支座宽度对裂缝宽度带来的不良影响。

2.2 设计过程中对裂缝宽度超限的处理

裂缝宽度超限的情况下，意味着变电站厂房内部应力超出房梁设计的拉伸力极限值。通常情况下，可以通过改变房梁的横截面积并提升钢筋配筋比率，对房梁设计的拉伸应力进行调整。

首先，在改变配筋的过程中，可以通过加大配筋量、使用细钢筋、施加预应力、增加支撑杆等方式提升房梁的稳定性。通常会采用加大配筋量的方式进行直接调整。该方式最简单最直接，但同时也会导致房梁截面钢筋过多、过密的情况，使房梁钢筋浇筑施工的难度提升，无法保障混凝土施工的质量；在采用细钢筋的情况下，细钢筋具有更好的经济性，但由于钢筋直径的改变，很难对裂缝的宽度进行有效的调控，并在房梁截面宽度要求的情况下，很难通过增加细钢筋的数量来提升房梁的抗应力作用[4]。也因此，该方式在房梁设计的过程中实际应用较少。但在设计的过程中应当优先考虑最经济、可靠的方式提升房梁强度；而在施加预应力的过程中，由于预应力混凝土施工较为麻烦，变电站厂房的规模又较小，施加预应力工程可能会导致工程成本的增加，因此在实际应用的过程中，需要根据房梁裂缝的实际情况进行合理选择。通常情况下，该方式的应用优先级较低。

其次，在采用增加房梁截面积提升房梁强度的情况下，截面积的增大会导致房梁自身的体积增加、自重增加，并引起房梁内力增加，很容易导致房梁应力随之而增加。在相互作用的影响下，增加房量截面积的方式很难对房梁裂缝宽度进行有效的影响。而在增加房梁截面积的过程中，为了使其达到良好的效果，还需要进一步增加建筑整体的总高和层高，以确保房梁安装净高的要求，使工程整体的施工成本提升。

总结来说，在变电站厂房梁设计过程中，若需要控制房梁裂缝宽度超限的情况，则需要优先考虑钢筋直径进行有效的调整，然后采取增加配筋量的方式对房梁的抗拉强度进行调整。而在房梁配筋量过大、过密的情况下，再考虑增加房梁截面积的方式。但同时需要注意的是，若增加截面积尺寸，需要充分考虑到变电站厂房墙体支柱的承载能力，并遵循强柱弱梁的抗震理念，提升支柱的承载能力，并根据实际的需求合理调整配筋量，以避免对工程总体成本带来的不良影响。

2.3 不同裂缝宽度对配筋量的影响

在展开变电站厂房梁设计的过程中，为了使其能够应对因温度、干缩、沉降等原因所带来的裂缝，降低裂缝对房梁结构带来的影响，需要充分考虑不同裂缝宽度控制要求对配筋量所带来的影响。根据国家对变电站建筑建设的要求中可以确定，采用钢筋混凝土结构的房梁，其最大裂缝宽度应当低于0.2mm。而在实际的裂缝宽度控制过程中，控制裂缝宽度在0.3mm以内时，实际的钢筋面积应为计算值的1.42倍。根据国家标准控制到0.2mm以内时，则需要将钢筋面积的比例控制为计算值的1.92倍左右。可以看出，在实际控制的过程中，具体的裂缝控制标准对于配筋量的影响较大。

通过对变电站使用环境的分析，变电站的使用年限通常为50年，运行条件相对于民用建筑较好。由于变电站室内运行空间的湿度有控制要求，室内湿度较低，使其对房梁混凝土结构造成的影响较低。相关人员在展开混凝土配筋量计算的过程中，应当充分考虑到变电站实际的使用环境、需求对房梁所带来的各种影响，从而避免钢筋量的增加，减少工程整体投资成本。同时，由于变电站厂房梁的配筋量往往是由裂缝宽度控制的，在裂缝宽度控制的过程中，需要充分考虑到梁端负弯矩调幅的数值，并根据支座的负弯矩情况对量体进行正弯矩的调整，从而形成更加稳定的量体支撑结构，并有效增加大跨中正弯矩，对裂缝宽度进行控制[5]。此外，在增加房梁混凝土结构配筋比率的同时，还需要增加支座的钢筋面积，从而对负弯矩调幅系数进行调整。使房梁的承载能力、抗拉伸强度得到有效提升。而在设计的过程中，也需要适当调整负弯矩调幅系数，将其设置为1，同时增加支柱的配筋比例，使其符合变电站厂房梁设计的实际需求。

2.4 采用钢筋代换法控制裂缝宽度

在变电站厂房梁设计的过程中，采用的钢筋主筋通常使用拉伸强度较好的变形钢筋。比如最常见的HRB400和HRB400E同为三级钢筋，后者具有较强的抗震性能，价格也较高。但不同的钢筋，其能够发挥的承载力、抗拉伸能力和性能具有较大的差别。在设计的过程中需要根据对应的强度以及配筋比率、配筋面积和实际的需求，采用钢筋替换法来确保房梁的强度和经济效益。比如在某变电站厂房的设计过程中，其采用的HRB400钢筋的强度较高，但该区域位于地震带，因此需要采用有抗震性能的HRB400E，但是HRB400E的钢筋价格较高，同时HRB400的配筋面积依然可以满足房梁整体的强度需求。因此，可以采用价格更低的HRB400钢筋合理代换部分HRB400E钢筋，以控制裂缝宽度，保证梁抗震性能的同时，降低工程施工成本。

在具体的钢筋代换过程中，需要充分考虑到不同结构类型的变电站厂房，其裂缝宽度控制时对钢筋的放大系数要求不同。为了进一步保障房梁强度满足抗震需求和裂缝预防需求，需要进行整体计算确定配筋值，并采取对应的钢筋进行配筋。比如在采用HRB400替代HRB335时，其截面的配筋比率有较大的差别，需要在完整的计算后进行等面积代换，而不是等强代换，从而避免裂缝宽度无法得到有效的控制，并保证变电站厂房梁结构的耐久性。但同时也会增加梁的强度和刚度，需要充分考虑其对房梁抗震性能的影响。

3 结束语

综上所述，变电站厂房梁设计的过程中，引起梁出现裂缝的主要原因是由于温度、干缩、沉降等原因引起的应力裂缝。因此，相关人员在设计的过程中应当针对裂缝控制的原则，对配筋比率进行合理的计算。通过前期的有效设计，合理控制裂缝的宽度，在减少钢筋材料用量的同时，提升梁的强度和弯矩调幅能力，从而有效控制变电站厂房梁的裂缝宽度，为变电站的建设提供可靠保障。