鋼結(jié)構(gòu)在變電站建筑的應(yīng)用

張文超

佛山電力設(shè)計院有限公司

摘要：介紹了鋼結(jié)構(gòu)在變電站應(yīng)用實例，分析了鋼結(jié)構(gòu)在變電站建筑上應(yīng)用的優(yōu)勢以及存在的不足和解決方案。

關(guān)鍵詞：變電站；建筑；鋼結(jié)構(gòu)；

隨著城市建設(shè)及電網(wǎng)的飛速發(fā)展，變電站的建設(shè)也在不斷發(fā)展。根據(jù)變電站建設(shè)中的節(jié)能、環(huán)保、抗震、標準化的要求，通過研究及應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型建筑材料，憑借其優(yōu)越的特性，將逐漸成為變電站建筑發(fā)展的一個新方向。我國鋼結(jié)構(gòu)建筑市場發(fā)展只有十余年，還處于起步階段，具有廣闊的發(fā)展前景。美國、英國等國家鋼結(jié)構(gòu)建筑已有上百年歷史，其工業(yè)化程度己經(jīng)從工業(yè)化專用體系走向了大規(guī)模通用體系，很值得我們?nèi)ソ梃b學習。

一、鋼結(jié)構(gòu)在變電站應(yīng)用實例

典型鋼結(jié)構(gòu)變電站一般采用主體建筑為鋼結(jié)構(gòu)，地下電纜夾層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。工程建筑面積和高度均可視變電站需求取相應(yīng)數(shù)值，院內(nèi)設(shè)有循環(huán)道路等附屬設(shè)施。要求主廠房耐火等級達到Ⅰ級，抗震滿足防烈度8度，建筑物設(shè)計使用年限達到50年。變電站分主廠房、GIS室、主變間。主廠房地上部分采用兩層鋼結(jié)構(gòu)形式，地下部分是夾層，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。主廠房地上一層設(shè)10 kV開關(guān)室、10 kV接地變室、警衛(wèi)室等附屬房間，主廠房地上二層設(shè)主控室、電容器室等。GIS室、主變間為單層鋼結(jié)構(gòu)廠房，與主廠房貼建。

鋼結(jié)構(gòu)部分設(shè)計要點：將上部鋼框架結(jié)構(gòu)的嵌固部位設(shè)在地下室頂板上，框架鋼柱的柱腳采用基礎(chǔ)預埋螺栓連接，基礎(chǔ)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁式筏基，應(yīng)注意基礎(chǔ)螺栓在柱內(nèi)及頂板梁上預埋時質(zhì)量控制。結(jié)構(gòu)安裝焊接質(zhì)量控制采用現(xiàn)場超聲波檢測。變電站工程的樓板采用組合結(jié)構(gòu)，樓板采用壓型鋼板上現(xiàn)澆混凝土的組合樓板。外墻采用加氣混凝土砌塊，外墻裝飾材料采用鋁單板，焊接安裝牢固整體性好、不易脫落、美觀大方。

二、鋼結(jié)構(gòu)在變電站應(yīng)用的優(yōu)勢

鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，在使用功能、材料性能、受力特點、設(shè)計、施工工藝和工期、環(huán)保節(jié)能以及綜合經(jīng)濟方面都具有優(yōu)勢，變電站建筑應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1、鋼結(jié)構(gòu)材料自重輕而承載力高

鋼結(jié)構(gòu)材料與鋼筋混凝土材料相比，具有自重輕而承載力高的特點。據(jù)資料顯示，鋼結(jié)構(gòu)強度重量比的指數(shù)是鋼筋混凝土的5倍以上。鋼材的抗拉、抗壓、抗剪強度相對較高，截面的選擇可以相對較小，從而可顯著減輕結(jié)構(gòu)自重。一般情況下，鋼筋混凝土建筑物的自重在1.5～2.0 t/m2左右，鋼結(jié)構(gòu)建筑自重大多在1.0 t/m2以下，相差近2倍，減輕自重的優(yōu)勢明顯。在承受荷載條件相同時，鋼結(jié)構(gòu)自重輕，基礎(chǔ)承擔的荷載也相應(yīng)減少，可降低基礎(chǔ)及基礎(chǔ)處理造價，一定程度上縮短了建設(shè)工期。

2、抗震性能好

在國外的部分地震區(qū)里大部分建筑是以鋼結(jié)構(gòu)為主，主要原因就是鋼結(jié)構(gòu)具有良好抗震性能。按抗震設(shè)計規(guī)定：彈性計算階段的高層結(jié)構(gòu)層間位移限制，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)定為h/550，而對鋼結(jié)構(gòu)則可放寬至h/300，二者相差約1.8倍?？梢婁摻Y(jié)構(gòu)建筑整體性好，抗震性能好，與鋼筋混凝土相比在強度、韌性、延性、強度質(zhì)量比上都具有優(yōu)勢。鋼結(jié)構(gòu)用于變電站建筑可充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，使建筑具有優(yōu)良的抗震抗風性能，大大提高變電站的安全可靠性。鋼結(jié)構(gòu)建筑能夠滿足抵御烈度為8度的強烈地震的破壞，符合我國對變電站抗震《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》、《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》、《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的要求。

3、施工實現(xiàn)標準化作業(yè)，易于質(zhì)量控制，并有效減少現(xiàn)場作業(yè)工期

鋼結(jié)構(gòu)材料除基礎(chǔ)按照傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式進行建造外，其它全部實現(xiàn)了工廠預制和現(xiàn)場裝配化施工，實現(xiàn)了工業(yè)化運作，影響材料質(zhì)量因素大大減少，質(zhì)量監(jiān)督控制較容易，便于形成標準的建筑體系，實現(xiàn)了構(gòu)件的工廠化和施工的機械化。變電站一般為2-3層建筑，鋼結(jié)構(gòu)工程可取一個施工段，在現(xiàn)場一次吊裝作業(yè)，同時樓板采用鋼板作為澆注混凝土模板的組合式樓板，作業(yè)流程簡單，施工快捷，節(jié)省搭設(shè)腳手架和模板工序，并且各分項工程可以同時進行施工而互不影響，節(jié)省了時間和勞動力，現(xiàn)場工作量明顯減少，現(xiàn)場吊裝作業(yè)如圖1所示。

4、分割布置靈活，能合理利用空間

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于材料自重大，限制了空間尺寸，如果跨度過大，就會出現(xiàn)梁高、柱大、板厚的現(xiàn)象。而鋼結(jié)構(gòu)柱及輕質(zhì)圍護分隔墻體自身占用面積較小，可以減少房屋結(jié)構(gòu)占用的建筑面積，從而增加建筑物內(nèi)有效使用面積，即相同的占地面積產(chǎn)生更多的使用面積。同時利用鋼材的高強度重量比特點，采用跨度較大開間設(shè)計，使建筑平面能夠合理分隔，靈活方便，滿足相同結(jié)構(gòu)類型變電站安裝不同設(shè)備的需要。

5、環(huán)保節(jié)能

鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件大多采用工廠化加工、運輸?shù)浆F(xiàn)場裝配，構(gòu)件采用焊接或螺栓連接，如變電站安裝電氣設(shè)備一樣，隨時購買，隨時安裝。因此施工占地少，大量減少混凝土等濕式作業(yè)，取而代之的干式施工無污染，無燥音，避免了濕式施工造成的環(huán)境污染和噪聲污染。使用壽命到期時，鋼材是可以100%回收再利用資源，舊ASA板材拆除回收經(jīng)粉碎可以生產(chǎn)新的ASA板材，完全符合當今環(huán)保概念的要求。正是因為鋼結(jié)構(gòu)與其它結(jié)構(gòu)形式相比具有如上優(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)才能在當今建筑工程中的應(yīng)用取得突飛猛進的發(fā)展。

三、鋼結(jié)構(gòu)存在的不足及解決方案

鋼結(jié)構(gòu)在建筑應(yīng)用中盡管有很多優(yōu)勢，但它仍存在一些弱點，需要采取相應(yīng)措施予以改進。

1、鋼結(jié)構(gòu)的防火問題

耐火性弱決定了鋼結(jié)構(gòu)必須采取防火措施。鋼結(jié)構(gòu)建筑的梁、柱、屋架大多采用鋼材，是建筑的骨架，直接關(guān)系到整個建筑的安全，鋼材雖然是不燃材料，但是會隨著溫度的變化，其力學指標會發(fā)生很大的改變，承載力和平衡穩(wěn)定性會隨溫度升高而大幅度下降。鋼結(jié)構(gòu)在溫度達到350 ℃、500 ℃、600 ℃時，其強度分別下降1/3、1/2、2/3，在高溫條件下其內(nèi)部應(yīng)力也會發(fā)生改變，使鋼結(jié)構(gòu)承重體系出現(xiàn)問題。按照理論計算，在全負荷下，鋼結(jié)構(gòu)失去平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為500 ℃，一般火場溫度都在800～1000 ℃左右，在這樣的高溫條件下，無任何保護的鋼結(jié)構(gòu)很快就會出現(xiàn)塑性變形倒塌。

目前鋼結(jié)構(gòu)通常有三種防火保護方法：噴涂法，包敷法，水淋冷卻法，變電站的耐火等級一般為Ⅰ級，可根據(jù)具體情況選出最適合的鋼結(jié)構(gòu)防火保護方法，符合《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的要求，做到既安全又經(jīng)濟。變電站可選用噴涂法達到防火保護作用，但會使鋼結(jié)構(gòu)表面變得粗糙，同時還會增加鋼結(jié)構(gòu)的承重?？梢赃m當考慮包敷法。

2、鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕問題

鋼結(jié)構(gòu)不耐腐蝕是另一個主要缺陷，這也是鋼自身特性所決定的。目前鋼結(jié)構(gòu)通常有五種防腐保護方法：耐候鋼、熱浸鋅、熱噴鋁（鋅）復合涂層、涂層法、陰極保護法。由于變電站設(shè)計使用年限一般為50年，因此，在選擇鋼結(jié)構(gòu)防腐時一定要考慮長效的防腐方法，熱噴鋁（鋅）復合涂層是一種比較好的變電站防腐解決方法，它是通過一定工藝使鋼結(jié)構(gòu)表面形成一種復合涂層，達到防腐效果。這種工藝的優(yōu)點是對構(gòu)件尺寸適應(yīng)性強，構(gòu)件形狀尺寸幾乎不受限制。另一個優(yōu)點是這種工藝的熱影響是局部受約束的，不會產(chǎn)生熱變形。另外，在防腐處理之前應(yīng)對鋼構(gòu)件表面進行完全地清理（機械處理法），否則會影響涂層和構(gòu)件的結(jié)合和防腐，影響使用壽命。

3、變電站特殊需求決定鋼結(jié)構(gòu)變電站的特殊性

與其它鋼結(jié)構(gòu)建筑物不同，變電站是電力系統(tǒng)中變換電壓、接受和分配電能的電力設(shè)施，決定了變電站要設(shè)置大量埋件來安裝設(shè)備，要有大量線纜、埋管穿梭于各個設(shè)備間，要有很多設(shè)備開洞等來滿足今后設(shè)備的安裝、運行要求。目前主要利用鋼柱、鋼梁設(shè)置并可包裹在板材之內(nèi)的解決方案。在設(shè)置較大荷載埋件時須采用混凝土結(jié)構(gòu)形式時，應(yīng)盡量減少現(xiàn)場混凝土的施工作業(yè)。管線敷設(shè)可采用在墻體上開槽暗敷埋設(shè)，最后進行墻體粉刷，使墻體表面平整，應(yīng)盡量減少線槽敷設(shè)的明敷形式。

四、結(jié)束語

實踐證明，鋼結(jié)構(gòu)具有良好的性能，是今后理想的建筑材料。隨著鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷成熟，提倡環(huán)保和節(jié)能的今天，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用將得到更大的發(fā)展，也必將在變電站建筑中得到很好的應(yīng)用。