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        安徽省110kV變電站門式框架結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計研究

        2020-06-10 02:53:50劉士李趙迎迎陳付雷方天睿韋海峰
        工程與建設(shè) 2020年1期
        關(guān)鍵詞:門式剛架結(jié)構(gòu)柱腳

        劉士李, 趙迎迎, 陳付雷, 方天睿, 韋海峰

        (1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,安徽 合肥 230071;2.安徽華電工程咨詢設(shè)計有限公司,安徽 合肥 230022)

        0 引 言

        近年來,國家電網(wǎng)公司提倡的基于資源節(jié)約和環(huán)境友好理念的工業(yè)化變電站建設(shè),旨在提高變電站建設(shè)的工業(yè)化水平,推動新技術(shù)、新材料和新工藝融入變電站建設(shè)中來。為此,電力行業(yè)設(shè)計院、高??蒲性核瓤蒲袉挝环e極參與到變電站設(shè)計研究中[1-3]。裝配式建筑在變電站建設(shè)中的應(yīng)用取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

        關(guān)于裝配式建筑在變電站建設(shè)中的應(yīng)用,安徽省嚴(yán)格遵照國家電網(wǎng)公司的總體理念,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化加工以及模塊化建設(shè),側(cè)重提高建設(shè)質(zhì)量和效率[4-6]。以技術(shù)可行性為出發(fā)點,裝配式建筑在變電站中主要應(yīng)用于建筑物主體結(jié)構(gòu)、建筑物維護(hù)墻體、構(gòu)筑物(圍墻、防火墻、電纜管、化肥池、事故油池、支架基礎(chǔ)等)[7,8]。

        目前安徽省裝配式變電站現(xiàn)狀為采用鋼桁架樓板的現(xiàn)澆屋面結(jié)構(gòu),建筑物外墻采用纖維水泥板夾發(fā)泡混凝土復(fù)合輕質(zhì)墻板,內(nèi)側(cè)采用免漆板裝飾,建筑物內(nèi)墻采用纖維水泥板夾發(fā)泡混凝土復(fù)合輕質(zhì)墻板,兩側(cè)采用免漆板裝飾,圍墻采用采用纖維水泥板夾發(fā)泡混凝土復(fù)合墻體圍墻。房屋主體結(jié)構(gòu)的形式有鋼框架、門式框架、薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)體系等,為探索經(jīng)濟(jì)和技術(shù)最優(yōu)化的裝配式變電站結(jié)構(gòu)形式,本文主要通過對門式剛架結(jié)構(gòu)的變電站變電站房屋主體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計荷載和結(jié)構(gòu)計算的研究,分析了該類型變電站結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點。

        1 結(jié)構(gòu)形式

        變電站建筑物主體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要包括現(xiàn)場澆筑混凝土結(jié)構(gòu)變電站、預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)變電站、鋼結(jié)構(gòu)變電站三種結(jié)構(gòu)形式?,F(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)不符合裝配式建筑的設(shè)計理念,因此只有預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)可以作為裝配式變電站結(jié)構(gòu)的備選型式。預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中涉及到濕作業(yè)、建設(shè)周期長于鋼結(jié)構(gòu)等不足,無法滿足國家電網(wǎng)公司相關(guān)要求。本文所研究的門式剛架結(jié)構(gòu)的輕型房屋,剛架可采用等截面或者變截面實腹結(jié)構(gòu),屋面采用輕型屋面,外墻為輕型外墻,房屋為單層。門式剛架結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示。

        圖1 門式剛架輕型房屋

        門式剛架結(jié)構(gòu)的輕型房屋,主要受力結(jié)構(gòu)為框架主體。框架主體由鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)廠家以組裝部件的形式在工廠完成部件生產(chǎn),部件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場后以吊裝方式通過螺栓連接完成組裝??蚣苤黧w的示意圖如圖2所示。

        圖2 門式剛架

        門式剛架通過螺栓連接實現(xiàn)現(xiàn)場組裝,施工過程不涉及動火作業(yè)和濕作業(yè)。各剛架構(gòu)件之間通過節(jié)點進(jìn)行連接,主要的連接節(jié)點有柱腳節(jié)點、梁柱節(jié)點、梁梁拼裝節(jié)點。其中,柱腳節(jié)點的連接形式如圖3所示,包括鉸接節(jié)點和剛接節(jié)點兩大類。選擇何種柱腳連接形式主要取決于結(jié)構(gòu)整體荷載情況與抗震作用、風(fēng)荷載等因素。通常,柱腳連接節(jié)點的連接形式是柱底板件與下部結(jié)構(gòu)的預(yù)埋地腳螺栓相連接,下部基礎(chǔ)通常為現(xiàn)澆基礎(chǔ)?;A(chǔ)尺寸和基礎(chǔ)埋深需要根據(jù)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行計算,其設(shè)計值與多種因素有關(guān),包括上部結(jié)構(gòu)的荷載、柱腳節(jié)點的連接方式、場地條件、地下水條件等。

        圖3 柱腳節(jié)點

        2 荷載與結(jié)構(gòu)計算

        本次研究的對象為安徽省內(nèi)變電站建筑物的主體結(jié)構(gòu),故依據(jù)安徽地區(qū)的具體情況進(jìn)行荷載分析。根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)中第4.2條及4.3條相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算分析。門式剛架由于整體剛度偏低,因此風(fēng)荷載、雪荷載等對其結(jié)構(gòu)受力的影響較為顯著,在計算時不可忽略。風(fēng)荷載和雪荷載的設(shè)計頻率為百年一遇。依據(jù)現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn),本次計算考慮的結(jié)構(gòu)荷載包括恒載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度荷載以及地震效應(yīng)。恒載主要包括建筑自重,活載主要由建筑的使用控制。雪荷載、溫度荷載、地震作用、風(fēng)荷載等的取值參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[9,10]。安徽地區(qū)雪載、風(fēng)載、地震作用、溫度作用統(tǒng)計情況見表1。

        表1 安徽地區(qū)荷載基本情況

        安徽地區(qū)最大基本風(fēng)壓出現(xiàn)在亳州市,為0.55 kN/m2;最大基本雪壓出現(xiàn)在霍山縣,為0.75 kN/m2;最大抗震設(shè)防烈度出現(xiàn)在蚌埠市,為7度0.15g。

        依據(jù)110-A1-2方案典設(shè)建筑布局建模。屋面設(shè)置女兒墻,結(jié)構(gòu)高度、門窗位置均與典設(shè)一致。為了實現(xiàn)建筑立面美觀,方便開窗和預(yù)留穿墻套管,結(jié)構(gòu)設(shè)計未布置柱間支撐,而是將門剛結(jié)構(gòu)柱腳采用剛接形式,該設(shè)計符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中第9.2.2條的規(guī)定和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)中第6.13條的規(guī)定。為滿足結(jié)構(gòu)縱向受力,門剛結(jié)構(gòu)體系在柱腳剛接的同時加強(qiáng)柱頂系桿。鋼柱為H形型鋼,截面尺寸為200 mm×300 mm;鋼梁為H形型鋼,截面尺寸為200 mm×400 mm。采用軟件建立的有限元計算模型如圖4所示。

        圖4 門式剛架結(jié)構(gòu)有限元計算模型

        依據(jù)合肥地區(qū)荷載情況輸入荷載并計算,計算結(jié)果如圖5~圖7所示。

        圖5 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖(單位:mm2)

        圖6 彎矩包絡(luò)圖(單位:kN·m)

        圖7 恒載+活載位移圖(單位:mm)

        由以上計算結(jié)果可知,門剛結(jié)構(gòu)由于屋面荷載輕、結(jié)構(gòu)自重小,結(jié)構(gòu)整體荷載水平相對較小,結(jié)構(gòu)內(nèi)力也相應(yīng)較小,但是由于結(jié)構(gòu)整體剛度較小,結(jié)構(gòu)變形相對較大。

        3 主要結(jié)論

        (1)門剛框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸比鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸小,結(jié)構(gòu)用鋼量小。門式框架結(jié)構(gòu)的柱腳截面對于鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面小,可以減少基礎(chǔ)短柱的截面尺寸,從而減少基礎(chǔ)工程量。門剛結(jié)構(gòu)柱腳節(jié)點、梁柱節(jié)點、鋼梁拼接節(jié)點構(gòu)造簡單,施工安裝速度快。

        (2)門剛結(jié)構(gòu)對雪荷載、風(fēng)荷載敏感,當(dāng)發(fā)生暴雪或者大風(fēng)、龍卷風(fēng)等極端天氣時,結(jié)構(gòu)的安全可靠性差。門式剛架結(jié)構(gòu)本質(zhì)為二維結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)整體性差,易產(chǎn)生局部破壞(單品剛架的破壞)而引起結(jié)構(gòu)的整體破壞。門式剛架結(jié)構(gòu)的剛度小,所以結(jié)構(gòu)的變形、位移較大,對于變形要求嚴(yán)格的工業(yè)建筑適用性差。

        (3)本文的研究結(jié)論可為裝配式變電站的選型提供技術(shù)依據(jù)。

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