戶內(nèi)變電站GIS室均布活載標(biāo)準(zhǔn)值及復(fù)核方法研究

陳慶烈，甘偉昌，黃達(dá)余，黃 銳，田效軍

(1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化水平的日益提高，城市電網(wǎng)建設(shè)的要求也越來(lái)越高。由于節(jié)約城市用地、建筑美觀協(xié)調(diào)的優(yōu)勢(shì)，城市戶內(nèi)變電站在城市建設(shè)和發(fā)展中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，城市戶內(nèi)變電站朝著集中集約建設(shè)聯(lián)合建筑、電氣設(shè)備緊湊制造、三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用、全壽命周期建設(shè)綠色環(huán)保變電站方向發(fā)展[1-2]。氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas-insulated metal- enclose switchgear，GIS)具有占地小、安裝快、維護(hù)少、抗污穢、可靠性高和抗震性強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)成為戶內(nèi)變電站(以下簡(jiǎn)稱“戶內(nèi)變”)的首選設(shè)備[3-5]。

在戶內(nèi)變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，GIS室設(shè)備荷載通常以活荷載的形式布置，DL/T 5457—2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[6](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)規(guī)定，110～220 kV GIS組合電器樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值不應(yīng)小于10.0 kN/m2，且在計(jì)算墻、柱、主梁、基礎(chǔ)時(shí)采用活荷載折減系數(shù)0.7。馬福雷[7]等統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)主要廠家的220 kV GIS設(shè)備荷載，分最大單體設(shè)備和最大基礎(chǔ)集中聯(lián)合設(shè)備兩方面進(jìn)行等效活荷載計(jì)算，建議設(shè)計(jì)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取10 kN/m2，但未提及活荷載折減系數(shù)。劉小云等[8]在現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，結(jié)合中化110 kV緊湊型配電裝置樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究了110 kV變電站氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備荷載等效簡(jiǎn)化的計(jì)算方法。施圣東[9]結(jié)合具體工程，計(jì)算了一個(gè)變電站電氣設(shè)備室樓面均布等效活荷載。

針對(duì)《規(guī)程》建議的220 kV戶內(nèi)變GIS室樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值及有關(guān)系數(shù)，本文通過(guò)對(duì)多個(gè)工程實(shí)例的計(jì)算分析，驗(yàn)證《規(guī)程》取值的合理性，探究一種用于施工圖設(shè)計(jì)階段設(shè)備資料齊全后復(fù)核GIS室樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值的便捷有效方法。

1 工程實(shí)例分析

1.1 結(jié)構(gòu)及荷載布置

220 kV半山變電站GIS室的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。220 kV戶內(nèi)變GIS室的布置方式和結(jié)構(gòu)形式大體相同，即電氣間隔布置緊湊、框架結(jié)構(gòu)為短邊單跨且跨度較大，選取與GIS室直接相關(guān)的框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

圖1 半山變GIS室結(jié)構(gòu)布置圖

初步設(shè)計(jì)階段，GIS室樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值參考《規(guī)程》表4.3.1取10 kN/m2。設(shè)備資料齊全后，GIS室樓面設(shè)備活載以線荷載的方式按實(shí)布置，無(wú)設(shè)備區(qū)域的操作活載按均布活載2 kN/m2考慮，荷載布置如圖2所示。110 kV GIS室單間隔設(shè)備最大輪廓尺寸為7.7 m×1.0 m×3.0 m (長(zhǎng) × 寬 × 高，下同 )，每跨主梁可布置4～5個(gè)間隔；220 kV GIS室單間隔設(shè)備最大輪廓尺寸為6.0 m×2.1 m×3.5 m，每跨主梁可布置2～3個(gè)間隔。

圖2 半山變GIS室設(shè)備活載按實(shí)布置圖

1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

借助PKPM軟件，計(jì)算分析110 kV GIS室鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)分別在設(shè)備活載均勻布置10 kN/m2和按實(shí)布置情況下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，得到框架主梁的跨中彎矩、梁端彎矩和梁端剪力(見(jiàn)表1)，以及柱子的軸力、柱底彎矩和柱頂彎矩(見(jiàn)表2)。其中，主梁編號(hào)詳見(jiàn)圖1中的①～⑥，柱子編號(hào)同相連主梁編號(hào)，比值為按實(shí)分布與均勻分布的效應(yīng)比值，表中的效應(yīng)值僅為活載作用結(jié)果。半山變110 kV GIS室結(jié)構(gòu)效應(yīng)比值如圖3所示。

表1 半山變110 kV GIS室主梁效應(yīng)

表2 半山變110 kV GIS室柱子效應(yīng)

圖3 半山變110 kV GIS室結(jié)構(gòu)效應(yīng)比值

由表1、表2和圖3可知，對(duì)于110 kV GIS室，在初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)備均布活載取10 kN/m2在多數(shù)情況下能滿足要求，但仍然會(huì)出現(xiàn)不滿足設(shè)計(jì)要求的情況，偏于不安全。本文建議初步設(shè)計(jì)階段適當(dāng)提高110 kV GIS室的樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值。

因110 kV GIS室的主梁效應(yīng)比值基本大于0.7，故《規(guī)程》表4.3.1規(guī)定計(jì)算墻、柱、主梁和基礎(chǔ)時(shí)所取的活載折減系數(shù)0.7不適用于110 kV GIS室，建議設(shè)計(jì)時(shí)不予采用。

2 樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值研究

在初步設(shè)計(jì)階段，當(dāng)欠缺設(shè)備資料時(shí)，應(yīng)研究110 kV GIS室的樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值如何取值。由表1、表2和圖3可知，主梁跨中彎矩比值相對(duì)較大，可以作為結(jié)構(gòu)效應(yīng)的代表值。為減少計(jì)算和統(tǒng)計(jì)工作量，以下研究的結(jié)構(gòu)效應(yīng)均以主梁跨中彎矩為準(zhǔn)，樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值均以主梁等效為準(zhǔn)。

線彈性理論分析時(shí)，同一框架結(jié)構(gòu)主梁效應(yīng)M與樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值q成正比。推導(dǎo)可知，設(shè)備活載按實(shí)分布時(shí)的主梁等效樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe計(jì)算式如下：

式中：M1為設(shè)備活載按實(shí)分布時(shí)的主梁跨中彎矩，kN·m；M2為設(shè)備活載參考《規(guī)程》表4.3.1取10 kN/m2均勻分布時(shí)的主梁跨中彎矩，kN·m。

利用式(1)能夠得到半山變110 kV GIS室的樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，見(jiàn)表3所列。

表3 半山變110 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值

利用前述方法，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)多個(gè)變電站的110 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4 不同變電站110 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN/m2

由表4可知，110 kV GIS室樓面均布荷載最大值為11.9 kN/m2，且出現(xiàn)多個(gè)主梁等效樓面均布荷載大于10 kN/m2的情況。因此，在初步設(shè)計(jì)階段，為保證工程量的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)的安全性，建議220 kV變電站110 kV GIS室的樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值取12 kN/m2，同時(shí)，計(jì)算墻、柱、主梁和基礎(chǔ)時(shí)不對(duì)該樓面均布活載乘以折減系數(shù)。

同理，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)多個(gè)變電站的220 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5 不同變電站220 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值 kN/m2

由表5可知，在初步設(shè)計(jì)階段，220 kV變電站220 kV GIS室的樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值取10 kN/m2能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，且結(jié)果偏于保守。在24組數(shù)據(jù)中，僅1組數(shù)據(jù)(7.1)大于7.0，其余組數(shù)據(jù)均小于7.0，說(shuō)明當(dāng)220 kV GIS室的樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值取10 kN/m2時(shí)，主梁活載折減系數(shù)0.7在220 kV GIS室中有很好的適用性。

3 結(jié)構(gòu)復(fù)核方法研究

當(dāng)施工圖階段設(shè)備資料齊全后，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需復(fù)核初步設(shè)計(jì)階段所取的GIS室樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值的安全性、經(jīng)濟(jì)性及合理性。相比于設(shè)備活載按實(shí)分布重新建模計(jì)算的復(fù)雜驗(yàn)算方法，本文提出了一種便捷有效的復(fù)核方法。

3.1 110 kV GIS室樓面均布活載復(fù)核

定義“受荷單元”為主梁圍成的樓板區(qū)域，以半山變110 kV GIS室為例，其尺寸及區(qū)域內(nèi)荷載統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6所列。其中受荷單元編號(hào)見(jiàn)圖1中的編號(hào)(1)～(5)。

表6 半山變110 kV GIS室受荷單元尺寸及荷載統(tǒng)計(jì)

由GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[10]的第C.0.8條可知：當(dāng)荷載分布比較均勻時(shí)，主梁上的等效均布活荷載可由全部荷載總和除以全部受荷面積求得。而220 kV變電站110 kV GIS室的設(shè)備布置大體上比較均勻，故主梁上的等效樓面均布活荷載近似值qa等于主梁受荷樓板范圍的總荷載除以全部受荷面積求得。以半山變?yōu)槔?，結(jié)合表6，主梁1的等效樓面均布活荷載近似值qa= 8.0 kN/m2，主梁2的等效樓面均布活荷載近似值qa= (8.0×6+4.9×7.5)/(6+7.5) = 6.29 kN/m2，其余類似推導(dǎo)獲得。統(tǒng)計(jì)不同變電站110 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe和近似值qa，結(jié)果見(jiàn)表7和圖4。

圖4 110 kV GIS室qa與qe的擬合關(guān)系

表7 不同變電站110 kV GIS室qa與qe數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) kN/m2

由表7和圖4可知，110 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe和近似值qa大致呈線性關(guān)系，其一元線性回歸方程如下：

其中，ε～ N(0, σ2)，相關(guān)系數(shù) r = 0.954，說(shuō)明兩者相關(guān)性極強(qiáng)；殘差平方和Qc= 9.201，隨機(jī)誤差ε的方差σ2= Qe/(n-2) = 0.418；置信水平為0.95的預(yù)測(cè)區(qū)間上限如圖4中的虛線所示。對(duì)該虛線進(jìn)行一元線性回歸分析，可得如下回歸方程：

其相關(guān)系數(shù)r = 0.999 7，說(shuō)明兩者相關(guān)性極強(qiáng)。可以認(rèn)為方程(3)是110 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe的預(yù)測(cè)方程或預(yù)測(cè)直線(如圖4實(shí)線所示)，且具有95%的安全保證率。

當(dāng) qa= 8.5 kN/m2時(shí)，qe= 12.0 kN/m2。其實(shí)際意義是：當(dāng)初步設(shè)計(jì)取110 kV GIS室樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值為12.0 kN/m2時(shí)，待設(shè)備資料齊全后利用前述復(fù)核方法所計(jì)算的樓面均布活荷載近似值qa若小于8.5 kN/m2，則該結(jié)構(gòu)偏于安全，否則需按照設(shè)備活載按實(shí)分布的方法重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

另外，該復(fù)核方法亦可用于判斷設(shè)備樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值的經(jīng)濟(jì)性和安全裕度。若樓面均布活荷載近似值qa遠(yuǎn)小于8.5 kN/m2，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全裕度較大，同時(shí)經(jīng)濟(jì)性也較差，比如蒲州變，此時(shí)可以適當(dāng)降低設(shè)備樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值或?qū)χ髁翰捎没钶d折減系數(shù)。筆者認(rèn)為，當(dāng)初步設(shè)計(jì)階段取110 kV GIS樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值qe為12.0 kN/m2，通過(guò)復(fù)核方法計(jì)算所得的樓面均布活荷載近似值qa在6.8～7.7之間較為合理，此時(shí)安全裕度在10%～20%之間，經(jīng)濟(jì)性也較好。

3.2 220 kV GIS室樓面均布活載復(fù)核

同理，統(tǒng)計(jì)不同變電站220 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe和近似值qa，結(jié)果如圖5所示。

圖5 220 kV GIS室qa與qe的擬合關(guān)系

由圖5可知，220 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe和近似值qa大致呈線性關(guān)系，其一元線性回歸方程如下：

其中，ε～N(0, σ2)，其相關(guān)系數(shù)r = 0.748，說(shuō)明兩者相關(guān)性較強(qiáng)；殘差平方和Qc= 6.040，隨機(jī)誤差ε的方差σ2= Qe/(n-2) = 0.275；置信水平為0.95的預(yù)測(cè)區(qū)間上限如圖5中的虛線所示。對(duì)該虛線進(jìn)行一元線性回歸分析，得到如下回歸方程：

其相關(guān)系數(shù)r = 0.997，說(shuō)明兩者相關(guān)性極強(qiáng)?？梢哉J(rèn)為方程(5)是220 kV GIS室樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qe的預(yù)測(cè)方程或預(yù)測(cè)直線(如圖5實(shí)線所示)，且具有95%的安全保證率。

當(dāng) qa= 4.2 kN/m2時(shí)，qe= 7.0 kN/m2； 當(dāng)qa= 7.6 kN/m2時(shí)，qe=10.0 kN/m2。其實(shí)際意義是：當(dāng)初步設(shè)計(jì)階段取220 kV GIS室樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值為10.0 kN/m2時(shí)，待設(shè)備資料齊全后利用前述復(fù)核方法所計(jì)算的樓面均布活荷載近似值qa≤4.2 kN/m2，則該結(jié)構(gòu)偏于安全且裕度較大，建議計(jì)算墻、柱、主梁和基礎(chǔ)時(shí)對(duì)該樓面均布活載乘以折減系數(shù)0.7；若4.2 kN/m2＜qa≤7.6 kN/m2，建議不乘以活荷載折減系數(shù)；若qa＞7.6 kN/m2，建議按照設(shè)備活載按實(shí)分布的方法重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)工程實(shí)例的分析，發(fā)現(xiàn)了DL/T 5457—2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》關(guān)于220 kV戶內(nèi)變GIS室樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值及有關(guān)系數(shù)的局限和不足，針對(duì)電氣間隔布置緊湊、框架結(jié)構(gòu)為短邊單跨且跨度較大的GIS室布置形式，經(jīng)總結(jié)多個(gè)工程實(shí)例的計(jì)算結(jié)果，得到了以下結(jié)論：

1)在初步設(shè)計(jì)階段，為保證工程量的準(zhǔn)確性和結(jié)構(gòu)的安全性，建議220 kV變電站110 kV GIS室的樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值取12 kN/m2，同時(shí)，計(jì)算墻、柱、主梁和基礎(chǔ)時(shí)不對(duì)該樓面均布活載乘以折減系數(shù)；

2)在初步設(shè)計(jì)階段，220 kV變電站220 kV GIS室的樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值按照《規(guī)程》取10 kN/m2能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，且結(jié)果偏向保守。同時(shí)，計(jì)算墻、柱、主梁和基礎(chǔ)時(shí)可對(duì)該樓面均布活載乘以折減系數(shù)0.7；

3)相比設(shè)備活載按實(shí)分布重新建模計(jì)算的復(fù)雜驗(yàn)算方法，本文提出了一種便捷有效的復(fù)核方法，用于施工圖設(shè)計(jì)階段設(shè)備資料齊全后復(fù)核GIS室樓面均布活載標(biāo)準(zhǔn)值，確保戶內(nèi)變GIS室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求。