地下變電站地下結(jié)構(gòu)有限元分析

辛僑

【摘 要】結(jié)合某220kV半地下變電站工程設(shè)計(jì)實(shí)例，通過有限元整體分析地下部分受力情況，并對結(jié)構(gòu)薄弱位置進(jìn)行復(fù)算檢驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】半地下變電站；扶壁柱；側(cè)壁；底板；有限元分析；

1、 概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大城市中心區(qū)用電負(fù)荷愈發(fā)密集，在此類地區(qū)設(shè)置變電站會面臨用地緊張、征地困難、拆遷賠償費(fèi)用高和規(guī)劃部門限高等困難，為解決上述問題，越來越多的建設(shè)方選擇全地下變電站和半地下變電站方案。

地下變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，面臨的第一困難就是側(cè)壁水平壓力過大，本文將結(jié)合某220kV半地下變電站工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例，通過有限元整體分析地下部分受力情況，并對結(jié)構(gòu)薄弱位置進(jìn)行復(fù)算檢驗(yàn)。

2、 工程優(yōu)化分析

2.1 工程概述

某220kV半地下變電站位于深圳市福田區(qū)，西面為新洲河，東面為蓮花山，站址場地地下水常年水位-2m。該變電站地面以上二層，地面以下四層，地下室部分成品字形。變電站抗浮設(shè)計(jì)水位0m，地下室外墻采用鋼筋混凝土墻和T型鋼筋混凝土扶壁柱相結(jié)合的方案。由于本工程建筑形式復(fù)雜，有樓板大開洞、錯層、躍層等，在側(cè)向水土壓力（最大處側(cè)向壓力達(dá)239kPa）作用下，整個結(jié)構(gòu)體系受力比較復(fù)雜，因此有必要對地下部分做整體有限元分析。

根據(jù)本建筑結(jié)構(gòu)形式及受力特點(diǎn)，有限元分析的主要研究目的有：

1. 檢驗(yàn)扶壁及側(cè)壁的安全性。

2. 檢驗(yàn)薄弱部位樓板的安全性。

3. 檢驗(yàn)梁在壓彎工況下的安全性。

4. 檢驗(yàn)側(cè)向壓力對框架柱的影響。

2.2 有限元模型

本結(jié)構(gòu)主要的構(gòu)件有側(cè)壁及其扶壁柱、框架梁柱及各層樓板。對于扶壁柱及梁柱，采用beam188單元對其模擬，對于側(cè)壁及樓板采用shell181單元對其模擬，兩種單元均采用完全的自由度，能夠較真實(shí)的模擬三維狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變形。圖1為分別只顯示了梁單元和殼單元的模型。為兼顧準(zhǔn)確性及效率，并考慮網(wǎng)格的規(guī)整度，單元尺寸定為0.5m。所有單元均通過共用節(jié)點(diǎn)連接。

圖1 梁單元模型

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 位移分析

側(cè)壁及扶壁柱的變形與連續(xù)梁的假設(shè)還是較為接近，即12.5m標(biāo)高～頂板的中部附近為最大位移出現(xiàn)的位置。大多數(shù)部位扶壁柱與側(cè)壁呈現(xiàn)協(xié)同變形的狀態(tài)，所以將側(cè)壁簡化為三邊支撐板并不適合，而簡化為單位板帶的連續(xù)梁更為適宜。而在局部位置，如吊裝孔及樓梯間，由于頂板開了孔洞及兩邊約束構(gòu)件較強(qiáng)，側(cè)壁呈現(xiàn)三邊支撐板的狀態(tài)。

2.3.2 內(nèi)力分析

（1）梁軸壓力

根據(jù)35kV～220kV城市地下變電站設(shè)計(jì)規(guī)定，當(dāng)?shù)叵虏糠种黧w結(jié)構(gòu)承受較大壓力時(shí)，其梁板應(yīng)計(jì)入軸向壓力的影響，按壓彎構(gòu)件計(jì)算。梁軸力在樓梯間開孔附近與扶壁柱直接連接處較大，如-8m標(biāo)高處8軸上的梁，在I軸和A軸處直接承受扶壁柱的擠壓，軸壓力分別達(dá)到了700kN，450kN，由于樓板的介入受力，梁軸力會逐漸減小。

（2）柱的彎矩及剪力分析

彎矩和剪力較大的地方為標(biāo)高-2.1和-3處，由于錯層造成的剪切效應(yīng)，9軸上的柱在這個標(biāo)高處，剪力和彎矩分別達(dá)到了560kN及370kN*m（均為整體坐標(biāo)系X向）。此外，在沿整體坐標(biāo)系Y向，只有9軸交B軸處的柱底部有一些剪力和彎矩，分別為100kN和200kN*m左右。

（3）側(cè)壁的彎矩

側(cè)壁的內(nèi)力與位移分析中描述一致，除樓板開洞處外，側(cè)壁的彎矩分布大致與扶壁柱一致，彎矩的最大值在底部支座及中間支座處。在樓板開洞處，側(cè)壁呈三邊支撐板的受力狀態(tài)，在板的三邊以及中部都有較大的彎矩。

（4）各層樓板的平面內(nèi)內(nèi)力

在-12.5、-8及-3m的板載角部及開孔邊緣的應(yīng)力較大，局部超出混凝土抗拉強(qiáng)度。-2.1及0.0m層的應(yīng)力較大處集中在板邊緣。0.0m層較小，接近混凝土抗拉強(qiáng)度，-2.1m層最大處接近3MPa。

2.3.3 構(gòu)件截面復(fù)核

（1）扶壁柱截面復(fù)核

按支座條件不同對扶壁柱進(jìn)行了歸并，給出了4種扶壁柱的彎矩和軸力，考慮扶壁柱因恒載而產(chǎn)生的內(nèi)力約為1000kN（扶壁柱自重），截面荷載效應(yīng)（標(biāo)準(zhǔn)值）如下，分項(xiàng)系數(shù)均取1.35。與連續(xù)梁假設(shè)計(jì)算結(jié)果相比，F(xiàn)BZ-D此處計(jì)算結(jié)果稍大，而FBZ-C計(jì)算結(jié)果小的較多，其余相差不大。

配筋計(jì)算

部位 截面 FBZ-A

（FBZ12） FBZ-B（FBZ3） FBZ-C（FBZ4） FBZ-D（FBZ6）

底部支座 -3580kN*m -4300kN*m -4220kN*m -4680kN*m

920kN 1290kN 1570kN 1650kN

8215.63mm2 9838.34mm2 10266.27mm2 11006.29mm2

上跨跨中 1240kN*m 1370kN*m 2720kN*m 2120kN*m

-857kN -1170kN -2220kN -1920kN

配筋率控制 配筋率控制 配筋率控制 配筋率控制

（2）側(cè)壁截面復(fù)核

側(cè)壁兩個方向的最大彎矩均發(fā)生在7～8軸交I軸處，由于樓梯間通高開洞，形成了8m*16m的矩形三邊支撐板，在底部和兩邊分別有680kN*m/m和480kN*m/m的最大彎矩，跨中約為420kN*m/m。在其他三邊支撐板的兩側(cè)支座及建筑轉(zhuǎn)角處板邊彎矩達(dá)到450kN*m/m左右，其余部位的彎矩不超過250kN*m，截面復(fù)核如下：

部位 彎矩（標(biāo)準(zhǔn)值） 板厚 計(jì)算配筋 實(shí)配 裂縫寬度

底部支座 680kN*m/m 800mm 3640mm2 32@120 0.200

兩側(cè)支座 480kN*m/m 800mm 2507 mm2 28@160 0.200

其余部位 250kN*m/m 800mm 1600 mm2 20@150 0.15

（3）樓板復(fù)核

樓板只在板角部等應(yīng)力集中部位由較大的主拉應(yīng)力，建議在這些部位加放射加強(qiáng)筋處理。另外，由兩邊樓板錯層造成的剪切作用導(dǎo)致的9軸上-3～0.0的墻體上產(chǎn)生的彎矩，將會傳至-3的樓板，所以-3樓板的板底有較大的拉應(yīng)力如圖2所示，樓板配筋時(shí)需考慮此彎矩，下部鋼筋應(yīng)按受拉鋼筋錨入梁（墻）內(nèi)。具體彎矩大小可按-3～0.0的墻體彎矩傳至板上。

3、結(jié)論

對于地下變電站地下工程結(jié)構(gòu)，采用本文方法具有下述優(yōu)點(diǎn)：

（1）有限元分析有利于檢驗(yàn)扶壁及側(cè)壁的安全性、薄弱部位樓板的安全性和檢驗(yàn)梁在壓彎工況下的安全性。

（2）采用有限元程序Ansys對變電站的地下部分進(jìn)行了有限元分析，力求盡可能少的做簡化以及假設(shè)，還原結(jié)構(gòu)本身的受力特點(diǎn)；

（3）計(jì)算結(jié)果以彎矩、軸力、剪力的形式輸出，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布更加直觀清晰，從而便于設(shè)計(jì)和施工單位使用；

（4）在cad技術(shù)應(yīng)用已很普及和計(jì)算機(jī)存貯量已大大增加的條件下，采用本文提出的有限元計(jì)算模型和方法，并不至于給計(jì)算時(shí)的原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備增添更多的工作量。