高東奇 曹林放 徐意智 姜 波 劉紹彬

(1. 同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092; 2. 上海電力設計院有限公司，上海 200025)

地下變電站主體結構形式的優(yōu)選及分析

高東奇1,*曹林放2徐意智1姜 波2劉紹彬1

(1. 同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092; 2. 上海電力設計院有限公司，上海 200025)

結合我國上海、北京地區(qū)地下變電站的主體結構選型特點，采用Midas-GTS有限元分析軟件，對不同形式下主體結構的受力特點和抗震性能進行建模和分析，同時對地下變電站主體結構的選型和優(yōu)化進行了系統(tǒng)地分析與探討。

地下變電站, 主體結構, 優(yōu)選, 有限元分析

1 引 言

基礎設施建設是一個城市經濟、社會可持續(xù)發(fā)展的根本保證。近年來，隨著城市經濟和科學技術水平的不斷發(fā)展，城市基礎設施建設水平也不斷提高，種類日漸齊全，服務更加完善[1]。而電力系統(tǒng)建設作為城市基礎設施建設中舉足輕重的一環(huán)，是國民經濟發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分。

隨著電力需求的不斷增加、施工技術的日益完善以及地上空間的日益緊缺，城市輸變電工程向地下空間發(fā)展成為一種必然趨勢[2]。不遠的將來，必將會出現(xiàn)更多的地下變電站和電力隧道，為城市的繁榮提供強大的動力[3]。

目前我國建有地下變電站的城市很多，但真正形成規(guī)模的主要為北京和上海兩地。

北京的土層是典型的北方硬土層，上海是典型的軟土地區(qū)[4]。對北京、上海兩地地下變電站主體結構的選型進行分析不僅有助于對這兩個地區(qū)地下變電站主體結構進行標準化設計，也能為其他城市的地下變電站建設提供重要的參考價值[5]。本文結合我國上海、北京地區(qū)地下變電站的結構形式及特點，對地下變電站結構選型需參考的因素進行歸納總結，同時利用有限元分析方法，對不同形式的主體結構的受力特點和抗震性能進行分析。此外，分別以兩個典型地下變電站為例，對地下變電站主體結構工程造價進行了分析和對比，進而對地下變電站主體結構的選型和優(yōu)化提出了合理化建議。

2 地下變電站主體結構選擇需參考的因素

目前，針對不同的工程條件，地下變電站的主體結構形式主要有三種：剪力墻結構、框架-剪力墻結構(以下簡稱“框剪結構”)和框架結構[6]。

對于一個特定的地下變電站工程，具體選擇哪種結構形式主要參考以下幾種因素：

(1) 工程造價，除主體結構自身的造價外，還需考慮因結構形式引起的附加基坑工程造價；

(2) 結構體系的受力合理性，包括結構的整體性能(抵抗豎向不均勻變形的能力，結構抗震穩(wěn)定性等[7])以及構件的受力性能(構件的撓度、裂縫、軸壓比等)；

(3) 工程場地水文地質條件，工程場地土層條件越差，水文地質條件越復雜，對結構的整體性要求就越高。

此外，對某一個地區(qū)而言，地下變電站主體結構的選型，還應綜合考慮當?shù)氐膰窠洕l(fā)展水平和周圍環(huán)境的影響等[8]。

3 地下變電站主體結構的有限元計算分析

3.1 有限元模型介紹

為對比上述三種主體結構形式的整體力學性能，進行了有限元計算分析。

有限元計算以某220 kV地下變電站為原型，全面考慮了地下變電站的主體結構、周圍土體、地下連續(xù)墻、抗拔樁等的影響。地下變電站主體結構長80 m、寬30 m，土體有限單元范圍長、寬、高分別取280 m、130 m和68 m。

主體結構荷載包括結構恒載、活載、水土荷載、頂板覆土荷載、底板水浮力以及地震作用，荷載取值參照原設計文件選取。

土層物理力學參數(shù)參照相關的工程地質勘查資料如表1所示。

對于剪力墻結構，考慮地下連續(xù)墻與主體結構內襯墻復合墻，應考慮兩者的共同作用，墻體厚度統(tǒng)一取為1.7 m。地下連續(xù)墻的厚度為1.0 m，地下連續(xù)墻總高度34 m，插入深度18 m。主體結構地下共三層，從上至下層高分別為6 m、6 m和4 m。樓板厚度依照原設計方案從上至下依次取為0.6 m、0.4 m和0.4 m, 筏板厚度取為1.7 m。為增大地下變電站抵抗上浮的能力，在其底板下方打設抗拔樁以增加其抗浮力[9]，布置抗拔樁33根，每根樁長33 m，如圖1、圖2所示。

表1 土層物理力學參數(shù)選取

Table 1 Selection of physical and mechanical parameters of soils

圖1 主體結構(剪力墻結構)(單位：m)

圖2 底板及抗拔樁(剪力墻結構)(單位：m)

對于框剪結構，土層地質條件及荷載條件與上述剪力墻結構保持相同。用框架柱代替原剪力墻結構中的部分剪力墻，改造成框剪結構，如圖3所示。底板及抗拔樁亦與剪力墻結構相同。

對于框架結構，由于內部的豎向受力構件全為框架柱，結構除了四周的外墻，內部沒有剪力墻，所以框架結構以框架梁、框架柱等為主要承力體系。計算模型在原剪力墻結構模型的基礎上，將所有剪力墻用框架柱進行代替。底板及抗拔樁布置與剪力墻相同。

圖3 主體結構(框剪結構)(單位：m)

3.2 有限元分析結果

為全面反映三種結構形式的整體力學性能，需計算以下三種工況下的結構響應：

(1) 施工階段(頂板覆土)：主要考慮結構自重、結構外墻水土荷載、結構底板水浮力、覆土荷載等。

(2) 正常使用階段：主要考慮結構恒載、活載、結構外墻水土荷載、結構底板水浮力、覆土荷載等。

(3) 地震作用下：主要考慮地層剪切變形作用，結構自身恒活載、水土作用等[10]。

通過有限元計算，得到以下分析結果：

(1) 在施工階段，地下變電站主體結構主要承受的荷載有結構自重、水土荷載以及底板水浮力。在這一階段，最關鍵的一個驗算項目就是主體地下結構封頂，頂板完成覆土，地下水位恢復時的地基沉降量。

由計算可知，三種結構形式在施工階段均能滿足抗浮要求，地基將產生下沉變形。三種不同的結構形式下主體結構地基平面上各點的沉降量如圖4所示。

通過對比可以看出，在這種“結構—樁—土”共同作用下，剪力墻結構表現(xiàn)出良好的整體性，框剪結構次之，最后是框架結構。框架結構的地基沉降量分別比剪力墻結構和框剪結構大45%和20%，差異沉降量分別比剪力墻結構和框剪結構大62%和26%。

(2) 在正常使用階段，由于結構恒載、活載的作用，主體結構相比于施工階段將有一個繼續(xù)下沉的過程，地基沉降量有明顯的增大。三種不同的結構形式下主體結構地基平面上各點的沉降量如圖5所示。

圖4 三種結構形式地基沉降量對比(施工階段)

圖5 三種結構形式地基沉降對比(正常使用階段)

通過對比可以看出，剪力墻結構的最大沉降量為6.26 cm，框剪結構和框架結構分別為7.23 cm和8.23 cm?？蚣芙Y構的地基最大沉降量分別比剪力墻結構和框剪結構大31%和14%，差異沉降量分別為剪力墻結構和框剪結構的4倍和2倍。

(3) 在地震作用下，三種結構形式的受力特點相差較大，采用反應位移法進行分析。

通過對比三種結構在地震作用下的應力云圖，得出：框架結構的框架柱節(jié)點應力非常大，最大應力達25 MPa，極有可能導致嚴重破壞；框剪結構中，底層柱的最大應力為17.6 MPa；而剪力墻結構中的局部墻體最大應力為6.0 MPa，此數(shù)值為框架結構相應數(shù)值的24%，為框剪結構的35%。

4 地下變電站主體結構工程造價分析

工程造價是地下變電站主體結構的選型過程中必須考慮的因素。除了主體結構材料的費用之外，設計時還需考慮不同結構形式下樓蓋高度引起層高增加而導致的附加費用及結構底板的造價等。

下面分別以兩個典型地下變電站為例，對上海、北京兩地區(qū)地下變電站主體結構工程造價進行分析和對比。

4.1 上海地區(qū)地下變電站主體結構造價

以上海市濟南路220 kV地下變電站設計為母本，對剪力墻結構、框剪結構以及框架結構三種地下變電站的結構方案的造價進行綜合性的對比，計算結果如表2所示。

表2 三種結構形式總造價(上海)

Table 2 Total cost of three forms (Shanghai)

通過表2可以看出，對于上海地區(qū)的地下變電站，剪力墻結構方案造價是框剪結構方案的1.06倍，是框架結構方案的1.15倍。

4.2 北京地區(qū)地下變電站主體結構造價

以北京國家電網220 kV地下變電站通用設計為母本，討論剪力墻結構、框剪結構以及框架結構三種結構方案的工程造價，結果如表3所示。

表3 三種結構形式總造價(北京)

Table 3 Total cost of three forms (Beijing)

通過表3可以看出，對于北京地區(qū)的地下變電站，剪力墻結構方案造價是框剪結構方案的1.08倍，是框架結構方案的1.20倍。

5 不同地區(qū)地下變電站主體結構選型建議

根據(jù)不同地區(qū)工程造價、水文地質條件和受力合理性等方面的差異，以及上述有限元計算分析結果，本節(jié)對地下變電站主體結構的選型提出合理化建議。如前所述，鑒于北京、上海兩地區(qū)城市地位的特殊性和水文地質條件的典型性，本節(jié)主要針對這兩地區(qū)的地下變電站主體結構選型提出建議。

5.1 上海地區(qū)地下變電站主體結構的選型

上海是典型的軟土地區(qū)，土層主要由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質組成，軟土的軟弱性和流變性均對上海地區(qū)的地下變電站結構整體性能提出了很高的要求。此外，研究表明，軟弱土層中的淺埋地下結構在地震時更易遭受嚴重破壞。

故而上海地區(qū)的地下變電站選型應充分考慮該地區(qū)的水文地質條件和抗震性能。

通過前面的計算和分析，綜合考慮上海地區(qū)的情況，總體上推薦上海地區(qū)的地下變電站使用剪力墻結構，土層條件比較好的地段或其他對結構有特殊要求的情況可以考慮使用框剪結構，一般條件下最好不使用框架結構。主要的理由有以下幾點：

(1) 剪力墻結構雖然造價偏高，但其整體剛度大，整體性好，抵抗不均勻變形的能力強，抗震性能好，用于上海軟土高水位地區(qū)是非常合適的。且其造價也只是比框架-剪力墻結構高6%，比框架結構高15%。

(2) 框剪結構的結構性能比剪力墻結構稍差，綜合造價與剪力墻結構相差不明顯，在土層條件比較好的地段或者結構布置需要時可以考慮采用。

(3) 框架結構剛度比剪力墻結構和框剪結構小，整體性比較差，在軟土地區(qū)抵抗豎向不均勻變形的能力差；框架節(jié)點抗震性能較差；地下變電站豎向荷載和水平水土荷載都非常大，對框架結構的截面尺寸要求很高，容易形成高梁和胖柱；而框架結構往往因為層高問題加大了基坑開挖的費用，在總造價上也沒有特別明顯的優(yōu)勢，故在上海地區(qū)不推薦采用框架結構。

5.2 北京地區(qū)地下變電站主體結構的選型

北京地區(qū)土層是典型的北方硬土層，主要由第四紀沉積土構成，部分地區(qū)埋藏有風化巖層，其下部廣泛分布第三紀地層?？傮w來說，北京地區(qū)的土層可塑性好，便于施工。

通過前面的計算和分析，綜合考慮北京地區(qū)的情況，總體上推薦北京地區(qū)的地下變電站使用框剪結構；在土層條件非常好的地方可以使用框架結構，以節(jié)省造價；由于北京地區(qū)整體土層條件比較好，地下水位也不高，使用剪力墻結構整體上偏保守，除非特別重要的地下變電站，一般不推薦使用剪力墻結構。主要的理由有以下幾點：

(1) 剪力墻結構整體剛度大，整體性好，抵抗不均勻變形的能力強，但在北京地區(qū)，由于整體土層情況較好，土質較硬，雖近年來有南水北調工程，但總體地下水位依然不高，經實測，北京多座地面總重超過20萬噸的超高層建筑結構封頂時的總沉降一般也不會超過60 mm，而地下變電站加上活載的總重也不及10萬噸，所以總的沉降量不會很大，不均勻沉降也相應較小。且剪力墻結構造價比框剪結構高8%，比框架結構高20%。

(2) 在北京地區(qū)，框剪結構基本上能夠滿足結構抵抗不均勻沉降的要求，利用剪力墻豎向剛度大的特點承擔主要豎向荷載，利用框架柱對空間使用影響較小的特點將框架柱布置在電容室、電纜層等位置，可以解決梁的大跨度問題。

(3) 框架結構最大優(yōu)勢在于造價低。一方面是結構本身材料用量省，另一方面是層高增加引起的附加土方開挖費用、基坑圍護費用比上海地區(qū)要低得多。在地層特別好的地區(qū)，使用框架結構，也不會引起太大的不均勻沉降。但是，框架節(jié)點應做專門的抗震設計。

6 結 論

本文綜合性地利用了有限元軟件對地下變電站的復雜三維結構進行了有限元模擬計算，并考慮了“結構—土體—抗拔樁”的共同作用，較為真實地反映了處于土體環(huán)境中的地下變電站結構在施工階段、正常使用階段及地震作用下的結構響應。并根據(jù)有限元分析結果，依據(jù)北京、上海兩地的水文地質條件、工程造價等因素，對這兩地的地下變電站主體結構形式提出了合理化建議。得出的研究結論主要包括以下幾點：

(1) 在施工階段，剪力墻、框剪、框架三種結構形式均能滿足抗浮要求；剪力墻結構的整體性最好，框剪結構次之，最后是框架結構。

(2) 在正常使用階段，剪力墻結構的地基最大沉降量和差異沉降量都最小，框剪結構次之，最后是框架結構。

(3) 在抗震性能方面，剪力墻結構和框剪結構明顯優(yōu)于框架結構，框架結構的框架柱往往是地震中最先破壞和破壞程度最嚴重的構件。

(4) 工程造價方面，剪力墻結構造價最高，框剪結構次之，框架結構最經濟。

(5) 總體上推薦上海地區(qū)地下變電站使用剪力墻結構，土層條件比較好的地段或其他對結構有特殊要求的情況可以考慮使用框剪結構，一般條件下最好不使用框架結構。

(6) 總體上推薦北京地區(qū)地下變電站使用框剪結構；在土層條件非常好的地方可以使用框架結構，以節(jié)省造價；除非特別重要的地下變電站，一般不推薦使用剪力墻結構。

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Selection and Analysis on Structural Types for Underground Substations

GAO Dongqi1,*CAO Linfang2XU Yizhi1JIANG Bo2LIU Shaobin1

(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Shanghai Eclectic Power Design Institute Co., Ltd, Shanghai 200025, China)

Based on the characteristics of underground substations in Shanghai and Beijing areas, mechanical behaviors and seismic performances of different structural types were conducted by using the finite element analysis software Midas-GTS. Moreover, systematic analysis and discussion on the selection and optimization of main structural types for underground substations were presented.

underground substation, main structure, selection, finite element analysis

2013-11-20

國家電網公司科技項目(5150011044)

*聯(lián)系作者，Email: dongqigao@126.com