轻型装配式变电站建筑的“四防”抗灾设计(汇报稿)

1、1轻型装配式变电站建筑的“四防”抗灾设计一、前 言近年来我国接连遭到百年未遇的冰雪灾害和特大地震灾害，到了台风季节还会遭到台风和洪水的袭扰。变电站的建筑结构在合理的使用期内必须经受得住各种自然灾害的考验，这就需要从选址开始把提升变电站抗灾（地震、台风、冰雪和水患）能力的水平贯彻始终。建设具备抗灾能力的“两型一化”变电站是国家电网公司落实科学发展观，推进电网建设发展方式转变的一项重要举措。要按照变电站的功能要求，进一步明确其工业性设施的功能定位和配置要求，实现变电站全过程、全寿命周期内“资源节约、环境友好” ，在确保足够抗灾能力的前提下降低变电站建设和运行成本。变电站的建造一直沿用了就地采购砂石

2、、砖块、钢筋、水泥等建筑材料，现场绑扎钢筋、立模、拌制混凝土、浇筑、养护、砌筑填充墙并粉刷等。这种手工作坊式的作业因建造队伍的技术水平参差不齐而使工程质量极其不均，同时施工周期较长，现场文明较差。尤其是这样的建筑结构因其自重大、延性差在地震作用下极易受损破坏，与国家电网公司建设具备抗灾能力的“两型一化”变电站的要求格格不入。建筑工业化就是采用现代化的科学技术手段，以产业化、自动化、大工业生产方式代替传统分散的手工业生产方式，充分利用高新技术，以最少的劳动力、最短的时间、最合理的价格营造人们满意的房屋。建筑工业化是各国建筑业发展的一个共同方向，1989 年在国际建筑研究与文献委员会（CIB）第

3、11 届大会上，各国专家在总结各国经验的基础上，把建筑工业化的发展列为当前世界建筑技术的八大发展趋势之一。建筑工业化的优越性在于大幅度提高了建造能力和建造速度。房屋构配件集中的、先进的、产业化的工业生产方式，使房屋的建造质量得到保证；构配件大批量供应、机械化施工，使建造速度得以大大提高。建筑工业化还改善了2劳动条件，使手工湿作业转向机械化施工，同时大大减少了建筑工地的用工量，从而降低了造价。2007 年以来江苏省电力公司推行的轻型装配式变电站是严格贯彻落实国家电网公司“两型一化”要求的又一重大举措。轻型装配式变电站的设计有别于传统的变电站设计，从总平面布置、电气工艺布置、建筑设计、结构选型、建

4、筑构造等都有较大的不同。轻型装配式变电站建筑具有高效率、高质量、节能环保的优点，同时可实现工厂化生产、标准化施工、减少现场湿作业和节约构件的运输费用等。当构件形成规模化生产后，还具有较高的经济性，完全符合今后电网建设发展的需求。国内迅速发展的轻钢结构建筑强度高、重量轻、延性好，空间布局灵活、构件小而有效使用面积大、工厂化生产、标准化施工，非常符合我省 “两型一化”装配式变电站建设的要求。轻型钢结构的应用和轻型屋面荷载的大幅降低，使钢屋盖结构的截面尺寸和重量大幅度降低（与传统的混凝土重屋面相比） ，不仅节约了钢材用量，加快建设速度，更引人注目的是本身具有较强的抗震能力，而且还能提高整个房屋的综合

5、抗震性能。最近已建成投运的镇江 110kV 齐梁变电站、张家港 220kV 三兴变电站和扬州 110kV 东石变电站等工程的生产综合室、35kV 屋内配电装置室等建筑，就是按照“两型一化”轻型装配式的要求设计建造的。其中除镇江 110kV 齐梁变电站的生产综合室是钢与混凝土的混合结构，其余两个项目的建筑都是全钢结构。钢结构的形式有门式刚架结构和排架结构两类，门式刚架结构又有柱脚刚结与铰接两种，不论是何种类型，它们都表现出良好的抗震特性，特别是轻型装配式变电站的建筑都选用质量轻厚度薄的 ALC 板作围护结构，它与主结构采用柔性方式连接，能很好地适应地震发生时结构的弹性变形，消耗掉部分地震能量。二

6、、抗震设计31、结构体系的确定三个轻型装配式变电站的建筑都是单层建筑，在抗震设计中确定结构体系是一项重要的内容。建筑的结构体系是根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素并经技术经济和使用条件综合比较确定的。三个变电站的基本设计概念列于表 1 中。表 1 三个变电站的基本设计概念序号项 目110kV 齐梁变110kV 东石变220kV 三星变1设计基准期50 年50 年50 年2地基基础设计等级丙级丙级丙级3建筑结构安全等级二级二级二级4抗震设防烈度7 度7 度6 度5设计基本地震加速度值0.1g0.15g0.05g6所在地设计地震分组第一组第一组第一组7建筑抗

7、震设防类别丙级丙级丙级8建筑场地类别9水平地震影响系数最大值0.080.120.0410设计特征周期值 Tg/s0.450.350.45所选定的结构体系应符合下列各项要求：（1）选用的结构体系要有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径，传力路径越短越好。作为横向结构体系的门式刚架、排架通过梁柱的传递将地震作用直接传给基础，纵向是依靠设置在纵向两端第一跨的柱间支撑将地震作用传给基础，两端第一跨的柱间支撑之间各柱柱顶均设刚性系杆，将非柱间支撑跨内的地震作用通过刚性系杆传到柱间支撑，再传给基础。这样的传力路径十分明确，也是以最短的路线传递的。若柱间支撑不在第一跨，则通过柱顶的刚性系杆将地震作用传到设

8、柱间支撑的柱顶，再传给基础。（2）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。对于静定结构要确保所有杆件不丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。对于超静定结构要注意关键构件的应力水平，绝对不能使它的应力水平过高，确保它始终具有足够的抗震能力或对重力荷载的承载能力。（3）结构体系应有良好的变形能力和消耗地震能量的能力。钢结构的变形4能力是良好的。作为围护结构的 ALC 板，不论是 110kV 齐梁变采用竖装墙板下滑动上滑动螺栓工法还是其他两个变电站采用的横装墙板螺栓固定工法都能适应层间位移角小于 1/200 的结构体系。而且 ALC 板依靠螺栓与主体结构的连接，属于

9、柔性连接，完全能适应主体结构在地震作用下的变形而不致于受到破坏。（4）对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。例如梁柱节点是应力集中而复杂的部位，目前的计算方法还不足以十分清晰地分析节点处的复杂应力，为此在计算时应遵循规范的规定乘以 1.11.2 的提高系数，适当增加安全储备。2、结构分析三个变电站的建筑都进行了多遇地震作用下的内力和变形分析。分析时都假定结构与构件处于弹性工作状态，因为都是单层建筑，所以都不需要考虑重力二阶效应的影响。建筑结构的布置比较匀称和规则，没有采用多质点空间分析的方法，横向采用单质点平面框架分析的方法。纵向是按柱列承受的重力代表值的比例分析。三个变电站的结构特征

10、及周期折减系数、结构阻尼比等参数列于表 2。表 2 三个变电站的结构特征及周期折减系数、结构阻尼比等参数表110kV 齐梁变110kV 东石变220kV 三星变序号项 目生产综合室生产综合室二次设备室35kV 开关站1主结构材料钢与混凝土的混合结构钢结构钢结构2横向结构形式刚架门式刚架门式刚架排架3纵向结构形式刚排架排架支撑排架支撑4抗震设防烈度7 度7 度6 度5屋面结构体系四坡、无檩体系平坡有檩体系平坡无檩体系6屋面板ALC 板ALC 板ALC 板7墙板ALC 板竖装ALC 板横装ALC 板横装8混凝土框架抗震等级三级9周期折减系数0.80.80.810结构阻尼比0.050.050.055

11、11地震力计算方法振型分解法振型分解法振型分解法根据国家标准建筑抗震设计规范GB50011-2001 建筑结构的地震影响系数是根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定的。其水平地震影响系数最大值根据烈度和地震影响多寡（多遇还是罕遇）来确定。有了具体工程的特征周期 Tg、结构自振周期T和相关的调整系数就可以按图1 中的公式计算出具体结构的地震影响系数。三个变电站抗震计算成果见表 3。图 1 地震影响系数曲线图表 3 三个变电站抗震计算成果表110kV 齐梁变110kV 东石变220kV 三星变序号项 目生产综合室生产综合室二次设备室35kV 开关站1计算模型单质点单质点单质点

12、2计算体系同三星变同三星变纵、横向分别按平面体系计算3应用软件PKPMPKPMPKPM4结构类型混合结构钢结构钢结构5横向框架结构自振周期T/s0.590.5950.2800.7476水平地震影响系数最大值MAX0.080.120.047水平地震影响系数计算值0.0630.0750.040.0258单质点重量G/kN191.0108.5139.766.369质点水平地震作用 FEk/kN12.08.15.591.6810弹性层间位移角c（应1/200）1/5121/4121/35001/112711是否由偶然组合控制否否否从图 1 中可以看到地震影响系数曲线由四段曲线构成，第一段为一条上升的直

13、线，最小值为 0.45MAX，最大值为2MAX；第二段是一条水平线，形成一个平台，若结构自振周期T值在 0.1sTg之间，结构的地震影响系数就在曲线的平台上，达到最大值，都等于2MAX；只有结构自振周期T大于特征周期 Tg，结构的地震影响系数就会随着T的增大迅速降低，当自振周期T大于 5Tg时，结构的地震影响系数就会缓慢地降低。比较表 1、2 中的数据可以看到 110kV 齐梁变与 110kV 东石变横向框架结构自振周期T基本上是相等的，都是接近于 0.6s，东石变的水平地震影响系数最大值MAX大于齐梁变，它们的质点水平地震作用 FEk反而比东石变来得小些，当然质点重量 G 是一个因素，但与东

14、石变的特征周期 Tg小于齐梁变不无关系。由于 220kV 三星变二次设备室的门式刚架柱脚刚结，增加了横向刚度，结构自振周期仅 0.28s，小于特征周期 Tg0.45s，处在地震影响系数曲线的平台上，结构的地震影响系数达到最大值，但是由于 220kV 三星变的抗震设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度值仅为 0.05g，所以计算结果质点水平地震作用并不大 FEk5.59kN，因此有地震作用参与的偶然组合不是起控制作用的，结构承载力的极限状态设计是按基本组合进行荷载效应组合，而不是按偶然组合进行。弹性层间位移角c1/3500，远小于规范规定的限值 1/200。轻型装配式变电站建筑的抗震设计除了在建

15、筑平面布置和结构抗震分析外，尚应在构造方面注意抗震措施。表 4 三个变电站抗震构造措施110kV 齐梁变110kV 东石变220kV 三星变序号项 目生产综合室生产综合室二次设备室35kV 开关站1横向框架梁柱接头形式刚接刚接刚接铰接2纵向框架梁柱接头形式有一个开间刚接其余铰接铰接铰接3柱脚接头形式刚接铰接刚接74纵向柱间支撑无钢制拉杆支撑钢制拉杆支撑5屋盖支撑钢制拉杆支撑钢制拉杆支撑钢制拉杆支撑6纵向刚性系杆有有有7墙板与结构的连接柔性柔性柔性8屋面板缝处理四坡屋面按常规处理板缝内配通长钢筋加强按常规处理9钢结构梁柱的构造按抗震规范设计按抗震规范设计按抗震规范设计通过三个轻型装配式变电站建筑

16、的抗震设计可以得出结论：轻型装配式变电站建筑在抗震设防烈度为 6、7 度的地区，按承载力极限状态的结构设计不是由偶然组合所控制的，有地震作用参与的偶然组合所产生的构件内力和层间位移角都远小于规范的限值。探究其根源乃是轻型装配式变电站的建筑所特有的两大因素。其一是选用了质轻、高强（与砖砌体相比） 、隔热、隔音性能俱佳的ALC 板作墙体和屋面构件，采用新型防水材料作屋面二级防水，它可直接在ALC 板上涂刷，无须任何水泥砂浆找平层和细石混凝土的刚性防水层，大大降低了围护结构的自重，缩小了构件截面尺寸，减轻了结构自重，发生地震时建筑物所受到的地震作用与建筑物的自重有关，自重越大地震作用越大，减轻了建筑

17、物的自重，从而减小了建筑物受到的地震水平作用，也大大地减轻了地震发生时的震害；其二，采用强度高、延性好的钢结构作承重骨架，钢结构的结构形式选用门式刚架作横向承重结构体系，排架加支撑或框排架作纵向承重结构体系，使变电站建筑的结构体系既能以极其经济的截面尺寸满足强度方面的要求，又有足够的刚度承受横向水平荷载和地震作用，还有很好的延性适应各种荷载作用下的位移及变形。三、抗洪防汛江苏省地处我国东部沿海地带，地势低洼，水系发达，淮河、长江贯穿东西，加上洪泽湖、太湖等大小湖泊使每年的抗洪防汛形势十分严峻，决不能掉以轻心。轻型装配式变电站的设计必须遵循国家规范的规定，张家港 220kV 三兴变电站自然地面为

18、 2.263.23m，站内设计地面高程为 3.20m，高于当地百年一遇的洪8水位 3.18m；镇江 110kV 齐梁变电站站内设计地面高程为 8.30m，与外部道路平齐，高于当地 50 年一遇的洪水位 7.60m；扬州 110kV 东石变电站自然地面为3.50m，站内地面高程与进站道路面高程为 4.41m，填土 0.9m，与外部道路平齐，高于当地 50 一遇的内涝水位 4.40m，确保变电站不受洪水侵扰。对于拟建变电站场地自然地面低于洪水位时，我们通常采用土方填高到洪水位以上的办法来保证变电站地面高程高于洪水位。此时变电站地面必然高于周围场地，形成类似一个“岛” 。视站内外高差大小，决定变电站

19、四周围墙墙体下部结构。墙体应选择能经受住洪水的浸泡而不降低承载力的材料制成。当高差不大时一般采用砖墙或混凝土墙体，并做好墙面防水面层；当高差较大时采用钢筋混凝土防洪墙。当洪水发生时，该墙除承受墙体自重外，还将承受内部的土压力，外部的水压力和风压力，当地震发生时，还应考虑有地震作用参与的偶然组合。四、冰雪荷载与屋面防水 1、冰雪荷载冰雪荷载主要作用于屋面上，它的作用与屋面活荷载类似，在分析冰雪荷载时必定要与屋面活荷载一起考虑。与普通屋面结构一样，作用在轻型屋面结构上的荷载有：永久荷载、可变荷载和偶然荷载这几大类。这里着重要讲的是屋面可变（活）荷载标准值。按照我们电力设计的荷载规范规定不上人的屋面

20、均布活荷载标准值是 0.7kN/m2，而中国工程建设标准化协会门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS1022002（以下简称协会规程）中取屋面活荷载标准值（按投影面积计算）为 0.3kN/m2；上海市标准轻型钢结构设计规程DBJ086897（以下简称上海规程）中验算屋面板及檩条时取 0.5kN/m2，验算屋架、刚架等承重结构时取0.3kN/m2。根据规范规定屋面活荷载与雪荷载不同时考虑，而江苏省境内各地区的雪荷载除南京市外均不超过 0.5kN/m2。南京雪荷载标准值为0.65kN/m2（n=50） 、0.40kN/m2（n=10） ，是唯一超过 0.5kN/m2（n=50）的地区，若按 0.5

21、kN/m2计算是介于 n=10、n=50 之间，符合江苏省公司“建筑耐久性与变电站运行寿命周期相协同”的原则。所以原则上参照上海规程取屋面活荷载标准值为 0.5kN/m2。不论是验算屋面板及檩条还是验算屋架、刚架等承重结构都取此值。南京地区的变电站可根据运行寿命周期的实际年限增加到90.65kN/m2（n=50） 。上人屋面仍按使用要求确定，但不得小于 1.5kN/m2。施工或检修荷载在设计屋面板和檩条时按集中荷载考虑，其标准值按协会规程取 1.0kN，按上海规程取 1.5kN，我们取协会规程规定的 1.0kN。当施工荷载有可能超过 1.0kN 时，应按实际情况取用，但应首先考虑加跨梁、支撑等

22、临时设施承受。从屋面竖向荷载的组成分析，结构自重约占 3/4，屋面活荷载或雪荷载约占1/4。除南京地区外，活荷载取 0.5kN/m2比雪荷载已经有一定的裕度，何况在具体设计时对梁柱构件的应力水平给于一定的控制。现仅列出 110kV 东石变的计算成果部分内容。（1）柱截面为 HM300200（尺寸 294200812） ；柱的计算长度：lx=10.74m，ly=4.20m；柱的长细比： x=86.9，y=88.4 均180。该柱是以最大弯矩的强度控制，Mmax=-106.78kNm，Nc=-75.59kN，平面内稳定计算最大应力 =164.16N/mm2f =215N/mm2,应力比=0.764

23、。平面外稳定计算最大应力 =164.09N/mm2f =215N/mm2,应力比=0.763。最大剪力 Vmax=-26.41kN，抗剪强度应力比=0.275。翼缘宽厚比 b/t =6.92b/t=15.0，腹板高厚比 h0/tw =30.5h0/tw=250。（2）梁截面为 HM300200（尺寸 294200812） ；梁长 10.8m，以支座处弯矩的强度控制，Mmax=111.58kNm，最大应力=173.5N/mm2f =215N/mm2,应力比=0.807。梁的跨中最大挠度值f =5.04mm，f/l=1/10731/180。最大剪力 V=47.55kN，最大剪应力=27.11N/m

24、m2fv=125N/mm2。翼缘宽厚比 b/t =6.92b/t=15.0，腹板高厚比 h0/tw =30.5h0/tw=250。110kV 东石变梁柱截面应力水平在 75%80%左右。2、屋面防水根据设计规程的规定，电气设备功能建筑的屋面防水应采用二级防水，二道设防。传统做法是同时采用刚性防水层和卷材防水层。这样必然会加重屋面荷载，与轻型建筑的原则相违背。轻型装配式变电站建筑必须采用新型的屋面防水材料和做法，使屋面防水层的重量大幅降低。据张家港 220kV 三星变和110kV 东石变的防水层做法计算可知，轻型化的防水层重量仅为传统做法的1040%。三个变电站屋面防水层的具体做法如下：（1）镇

25、江 110kV 齐梁变的屋面采用四坡屋面。屋面排水雨水口采用 PVC 雨水斗。屋面防水层各层自上而下如下：玻纤瓦面层30 厚 12 水泥砂浆保护层（内嵌钢丝网）高分子防水卷材二道 1.5mm 厚聚氨酯防水涂料一层ALC 屋面板 125mm 厚嵌缝整平（2）张家港 220kV 三星变和 110kV 东石变的屋面采用平坡屋面。屋面排水雨水口采用 UPVC 雨水斗。屋面防水层各层自上而下如下：浅色涂料保护层高分子防水卷材一道聚氨酯防水涂料一层屋面板面用水剂防水材料涂刷（含板缝）ALC 屋面板 150mm 厚ALC 屋面板缝处理用聚合物水泥砂浆（1:3 水泥砂浆加水泥用量 8%10%的丙乳液）灌缝；灌

26、缝处用水剂防水材料加强涂刷；200 宽防水卷材盖缝；设置分隔缝，缝内嵌 PE 棒，缝上贴防水附加层。天沟找坡（沟底及沟侧设置 20 厚保温板） ；天沟、檐口处 500mm 宽及女儿墙内侧刷水剂防水材料；细部增加附加层。五、风荷载垂直于门式刚架轻型房屋钢结构建筑表面的风荷载应按协会规程中列出的下列公式计算：wk=sz w0将上式与国家标准建筑结构荷载规范GB50009 的计算公式对照可见相差一个风振系数gz。除w0、s与国家标准建筑结构荷载规范GB50009 相同外，风荷载体型系数z与国家标准建筑结构荷载规范GB50009 不尽相同，它不仅考虑内外风压最大值的组合，且含阵风系数，在中国工程建设标准化协会门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS1022002 中分别列出了刚架、檩条和墙梁、屋面板和墙板、屋面挑檐及山墙墙架构件等的风荷载体型系数z，供设计查用。该规定的风荷载体型系数z适用于下列情况的门式刚架轻型房屋：当其屋面坡度不大于 10、屋面平均高度不大于 18m、檐口高度不大11于房屋的最小水平尺寸。荷载效应组合应符合下列原则（1）屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值；（2）积灰荷载应与雪荷载或屋面均布活荷载中较大值同时考虑；（3）施工或检修集中荷载不与屋面材料或檩条自重以外的其他荷载同时考虑；（4）对于自重较轻的屋盖，应验算在风吸力作用下屋架杆件、檩条