10kV土建變電站結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

王文昌， 孫科章

（天津市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，天津 300190）

0 引言

隨著電力行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，電力資源的分配中對土建設(shè)計提出了更嚴(yán)格的要求。小區(qū)內(nèi)變電站（或變電室）主要用途是將高壓系統(tǒng)的市政電纜經(jīng)電壓器變換之后輸送到低壓系統(tǒng)的用戶。變電站類型主要包括成品的箱式變電站和土建變電站。變電站室內(nèi)一般設(shè)有變壓器、高（低）壓開關(guān)柜、敷設(shè)管線的電纜橋架等電力相關(guān)設(shè)施，如何保證設(shè)計安全可靠且滿足電力相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是該類項目的關(guān)鍵所在。

近年來，結(jié)合項目建設(shè)需求，各類工程實例項目已做出了示范。朱怡等[1]采用土層時程分析方法對框架剪力墻結(jié)構(gòu)形式的地下變電站進行抗震計算，針對樓板開洞問題提出了滿足電氣設(shè)備布置要求的處理措施。盧家森等[2]采用預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了滿足快速標(biāo)準(zhǔn)化建造的變電站建設(shè)要求，上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制率達到了76%。除上述混凝土結(jié)構(gòu)形式外，對于高壓變電站常采用的高承載力且便于安裝的鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)[3，4]。

文中結(jié)合兩個實際的10kV變電站工程，著重介紹設(shè)電纜溝和設(shè)地下夾層兩類變電站的在主體結(jié)構(gòu)和配合深化階段的設(shè)計要點，包括結(jié)構(gòu)布置、荷載預(yù)留、抗震加強措施以及細(xì)部構(gòu)造，旨在為同類型的工程項目設(shè)計方法提供經(jīng)驗參考。

1 工程概況

土建變電站結(jié)構(gòu)由于其功能特殊性，需要有專業(yè)資質(zhì)的電力設(shè)計單位進行深化設(shè)計，以便滿足管線排布和電力設(shè)備的布置，結(jié)構(gòu)整體設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 變電站項目設(shè)計流程

項目A為設(shè)地下夾層類，該工程位于河北省雄安新區(qū)某地塊住宅區(qū)，建筑面積237m2，地上1層，正負(fù)零地面和地庫頂板之間設(shè)一地下夾層，剖面關(guān)系示意如圖2所示。設(shè)置地下夾層能夠方便管線排布，有利于后期檢修，也便于排水。建筑物總長19m，總寬12m，最大柱網(wǎng)尺寸8.1m×8.1m，層高4.6m，主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。功能使用要求：放置設(shè)備層板底凈高不小于4m，梁底凈高不小于3.5m，地下電纜夾層板底凈高不小于1.9m，梁底凈高不小于1.5m。結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參數(shù)如下：建筑設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級；抗震設(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度執(zhí)行《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》文件要求的抗震防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)，采用8度（0.20g），設(shè)計地震分組第二組；場地類別為Ⅲ類，地面粗糙度B類，基本雪壓0.35kN/m2，基本風(fēng)壓0.40kN/m2。

圖2 項目A剖面關(guān)系（單位：mm）

項目B為設(shè)電纜溝類，項目位于天津市東麗區(qū)某住宅小區(qū)。建筑面積228m2，建筑物為單層框架結(jié)構(gòu)，總長20m，總寬11.3m，層高5.1m，柱網(wǎng)尺寸6.5m×10.8m，正負(fù)零以下在設(shè)計深化階段根據(jù)電力部門提資增設(shè)電纜溝，剖面關(guān)系如圖3所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參數(shù)包括：建筑設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度為8度（0.20g），設(shè)計地震分組第二組，場地類別為Ⅲ類，地面粗糙度B類，基本雪壓0.4kN/m2，基本風(fēng)壓0.5kN/m2。

圖3 項目B剖面關(guān)系（單位：mm）

2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 項目A

由于屋面板長期暴露在室外環(huán)境下，考慮溫度應(yīng)力及防水等不利因素影響，同時為增強結(jié)構(gòu)頂部約束以提高抗震能力[5]，最小板厚取120mm。主體結(jié)構(gòu)根據(jù)建筑要求室內(nèi)板底凈高要求不小于4m、梁下凈高不小于3.5m，在結(jié)構(gòu)平面布置時，主梁截面尺寸需結(jié)合建筑層高和室內(nèi)凈高要求。項目A嵌固于結(jié)構(gòu)正負(fù)零處，框架柱截面500mm×500mm，主梁截面300mm×700mm、400mm×700mm、400mm×800mm，正負(fù)零處結(jié)構(gòu)板厚180mm，屋面板厚120mm。地下室外墻墻厚250mm，根據(jù)雄安新區(qū)要求，地下室外墻抗?jié)B等級為P8級。結(jié)構(gòu)模型采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（YJK2.0.3）進行建模計算，對于梁柱屬于桿系構(gòu)件，采用梁單元模擬，鋼筋混凝土墻體采用墻單元模擬，賦予各類單元與真實結(jié)構(gòu)相同的截面，并按照實際樓層標(biāo)高組裝，結(jié)構(gòu)整體計算模型如圖4所示。再結(jié)合工程概況定義結(jié)構(gòu)計算參數(shù)然后進行計算。

圖4 項目A整體計算模型

項目A完全位于地下車庫上方，且室內(nèi)長期存在重量較大的變壓器和電源線柜，柱位下落盡可能保證和地庫平面柱位一致，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換。零層板處活荷載可能存在兩種實際狀態(tài)：工況1考慮各種設(shè)備在運輸?shù)绞覂?nèi)后可能存在隨機位置堆載，然后再逐一安裝到實際位置；工況2考慮各個設(shè)備最終的固定安裝位置。因此，零層板最終配筋的活荷載按考慮這兩種情況：工況1為全區(qū)域面荷載10kN/m2，工況2為設(shè)備布置處按其重量和結(jié)構(gòu)布置計算得到實際線荷載，其他區(qū)域面荷載按2kN/m2考慮。主體結(jié)構(gòu)設(shè)計階段按情況主體結(jié)構(gòu)設(shè)計階段按工況1計算，待電力提資設(shè)備平面布置后，再按情況再按工況2調(diào)整結(jié)構(gòu)布置并復(fù)核配筋。正負(fù)零標(biāo)高處結(jié)構(gòu)在實際設(shè)備布置下（工況2）的變形如圖5所示，經(jīng)復(fù)核梁板撓度及裂縫均滿足規(guī)范要求。此外，對于類似的項目，如果存在其他過重的設(shè)備情況，取統(tǒng)一面荷載往往不夠經(jīng)濟，而且，實際安裝到位還需要相應(yīng)的運輸設(shè)備，此時可以補充設(shè)備運輸路線，按實際荷載進行設(shè)計。

圖5 實際設(shè)備布置下結(jié)構(gòu)變形（單位：mm）

結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計算中采用強制樓板剛性假定，考慮雙向地震作用。主要結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)見表1，結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表1 項目A結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計算結(jié)果

2.2 項目B

主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面選取原則同項目A，盡管項目體量小，框架柱需要截面滿足《抗規(guī)》[6]最小截面要求。項目B計算模型嵌固于基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)柱計算高度應(yīng)從基礎(chǔ)算至屋面高度處?？蚣苤孛?00mm×600mm，主梁截面350mm×850mm，屋面板厚120mm。結(jié)構(gòu)計算模型平面布置如圖6所示?；A(chǔ)采用柱下獨立基礎(chǔ)。由于項目B為長條形建筑平面，建筑柱網(wǎng)選取導(dǎo)致結(jié)構(gòu)成為單榀框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計時提高其抗震構(gòu)造措施，考慮適當(dāng)放大框架梁柱配筋進行加強。計算軟件及計算假定與項目A相同，主要結(jié)構(gòu)計算指標(biāo)見表2，均滿足規(guī)范要求。

圖6 項目B結(jié)構(gòu)計算模型

表2 項目B結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)計算結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)配合及深化

在電力部門提資之后，需進一步配合深化圖紙。由于項目A主體結(jié)構(gòu)完全位于地庫上方，各種電纜管線通過地下夾層外墻上設(shè)置的止水鋼板留孔處進入地下夾層，然后在零層板開設(shè)洞口后才能連接電柜或變壓器，洞口附近設(shè)置了各種設(shè)備基礎(chǔ)相關(guān)埋件，如圖7所示。由于洞口上有較重的設(shè)備，結(jié)構(gòu)布置成主次梁體系，洞口周圈設(shè)封邊梁使傳力路徑清晰明確，同時也方便埋件錨筋有足夠錨固長度。對于進入地下夾層的檢修人孔，平面尺寸小于800mm時，在洞口邊增設(shè)了加強筋。

圖7 設(shè)備相關(guān)預(yù)埋件設(shè)置（單位：mm）

其次根據(jù)設(shè)備提資進行預(yù)埋件設(shè)置，包括定位尺寸、根（個）數(shù)、安裝方法、安裝誤差、控制標(biāo)高、規(guī)格尺寸、材質(zhì)以及相關(guān)焊接要求。典型的構(gòu)造如圖8所示，錨筋和鋼板焊接，按規(guī)定間隔埋置在主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，然后臥放槽鋼再與預(yù)埋鋼板焊接作為設(shè)備基礎(chǔ)，槽鋼平整度誤差需滿足電氣設(shè)備要求。

圖8 構(gòu)造詳圖（單位：mm）

項目B在正負(fù)零地面以下設(shè)置電纜溝便于電纜管線連接和檢修，電纜溝上敷設(shè)成品的復(fù)合材料蓋板（也可根據(jù)需求設(shè)置鋼筋混凝土預(yù)制板），其他區(qū)域采用正常的建筑地面做法，無需設(shè)置結(jié)構(gòu)板。電纜溝的側(cè)壁（即地壟墻）根據(jù)溝深、擋土及防水情況綜合考慮選用砌體墻或鋼筋混凝土墻，當(dāng)采用混凝土側(cè)壁時，可按地下室外墻進行配筋計算。項目結(jié)合實際情況采用磚砌體墻，材質(zhì)為MU10實心頁巖磚。文獻[7]計算得出不同模數(shù)磚砌擋土墻的最大擋土高度Hmax分別為240mm 厚 Hmax為 1.329m，370mm 厚 Hmax為 1.831m，420mm厚Hmax為2.009m。項目電纜溝深度1.2m，地壟墻厚度為240mm。另外，砌體墻厚還應(yīng)符合模數(shù)要求，對于局部難以滿足模數(shù)要求且上部無承重設(shè)備荷載的位置可采用斗砌形式解決。

根據(jù)砌體結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)造要求[8]，地壟墻交接部位及墻端部內(nèi)設(shè)置了構(gòu)造柱，構(gòu)造柱之間的間距不大于3m，在墻頂結(jié)合埋設(shè)預(yù)埋件及敷設(shè)蓋板要求設(shè)置了壓頂圈梁或者過梁，地壟墻平面布置如圖9所示。地壟墻下設(shè)置墻下條形基礎(chǔ)，對于變壓器這種較重的設(shè)備，單獨設(shè)置混凝土基礎(chǔ)防止不均勻沉降。地面以下回填土須為壓實填土，壓實系數(shù)不低于0.95，以保證地面能承受10kN/m2荷載，設(shè)備基礎(chǔ)及溝坑墊層以下應(yīng)至少有0.5m厚壓實填土。

圖9 地壟墻結(jié)構(gòu)平面布置（單位：mm）

4 結(jié)語

（1）變電站下方設(shè)地下夾層時，電力設(shè)備荷載較大，正負(fù)零處活荷載存在各種工況，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計階段要預(yù)留足夠的荷載，待設(shè)備布置固定后，再對結(jié)構(gòu)布置進行調(diào)整并按實際荷載仔細(xì)復(fù)核配筋及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形，確保結(jié)構(gòu)安全性。

（2）變電站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，構(gòu)件截面選取需滿足凈高要求。對于平面呈長條形結(jié)構(gòu)，在一個方向難以避免形成單榀框架時，為了提高結(jié)構(gòu)抗震性能，可采取提高抗震構(gòu)造措施的方式進行加強處理。

（3）在配合深化階段，結(jié)構(gòu)布置要充分考慮預(yù)埋件的埋設(shè)及安裝，錨筋需有足夠的錨固長度。對于設(shè)地下夾層類型，結(jié)構(gòu)布置根據(jù)各種洞口調(diào)整后應(yīng)為傳力明確的主次梁體系。對于設(shè)電纜溝類型，若采用實心磚砌筑的地壟墻，墻體構(gòu)造需滿足砌體結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范要求。