臨沂正信工程勘察設計有限公司 鄭 艷 譚 芳 王士尊 于 璐 國網(wǎng)上海市電力公司 劉思思 劉步順

前言

目前，山東省內(nèi)110kV及以下電壓等級的變電站多采用單層鋼框架，平屋面的結構形式；梁柱多采用H型鋼。根據(jù)《國家電網(wǎng)輸變電工程通用設計35kV-110kV智能變電站模塊化建設施工圖設計》2016年版，屋面形式除可采用平屋面外，亦可采用坡屋面；結構梁、柱等主要承重構件宜采用H型鋼截面或箱型截面。相比于坡屋面的結構形式，平屋面結構建筑效果較為單一，屋面防水節(jié)點處理易出現(xiàn)滲漏，但平屋面結構的受力性能較坡屋面結構簡單，受力性能明確，同時施工較為簡單。當采用坡屋面時，由于屋頂斜面的設置,使建筑立面增強了變化感,一改傳統(tǒng)“火柴盒”式的呆板造型。

針對市區(qū)變電站這類有建筑外觀要求的變電站，坡屋面建筑形式更能滿足變電站周邊市區(qū)整體的建筑效果。從坡屋面的結構布置方式可以看出，與平屋面相比，坡屋面的斷面形式為“人”字形，其結構的受力狀態(tài)與拱、殼結構類似，坡屋面斜板和與之相連的框架梁、柱在實際工作中形成類似于拱的受力狀態(tài)，并對框架柱有水平方向的推力；與平屋面的受力狀態(tài)有著很大的差別。而隨著坡度的增加，緩解中柱與角柱軸力差值的作用[1]，梁拱對框架柱的水平力越來越大，從而引起的柱頂剪力及彎矩不斷增大[2]。

以往的研究多集中在鋼筋混凝土框架結構，著重于研究坡屋面結構對常規(guī)鋼筋混凝土矩形柱的力學影響。與鋼筋混凝土框架結構相比，屋面形式對單層鋼框架結構柱的選型影響研究則幾乎沒有，而進一步地鋼結構柱的選型及鋼結構的屋面形式對變電站建筑物的造價影響研究更是寥寥。

針對這兩個問題，本文對屋面形式對變電站單層鋼框架結構的結構柱選型影響進行了研究，旨在研究屋面形式對變電站單層鋼框架結構的結構柱選型、鋼框架整體結構及變電站建筑物造價影響。通過對結構分析及框架用鋼量的經(jīng)濟性分析，確定平屋面及坡屋面情況下最優(yōu)的結構柱選型，為后續(xù)變電站工程單層鋼框架結構的設計提供便利。

1 屋面形式對變電站單層鋼框架結構柱選型影響的研究

本文選取《國家電網(wǎng)輸變電工程通用設計35kV-110kV智能變電站模塊化建設施工圖設計》2016年版110-A2-4方案作為研究對像，根據(jù)已有工程經(jīng)驗并結合PKPM軟件試算結果，通過四個方案的結構對比研究平屋面形式及坡屋面形式下鋼框架結構的結構柱選型。平屋面采用結構找坡，坡度設定為5%；坡屋面為滿足電氣設備吊裝凈距要求、方便后期施工、防止因坡度超度25%導致采取額外的防水卷材及混凝土防脫落固定措施，并結合已有工程經(jīng)驗，設定配電裝置室各室屋面坡度為16.5%。方案詳情如表1所示。

配電裝置室結構參數(shù)設定如下：地震設防烈度采用8°（0.2g），第二組，場地類別采用II類，建筑抗震設防類別為丙類；屋面恒荷載為1.5kN/m2，活荷載為1.5kN/m2，建筑屋面均按不上人屋面考慮，本次研究中不考慮設備吊鉤荷載對結構的影響。結構建模計算軟件這里采用的是PKPM軟件SATWE V5.2.2版。

通過PKPM軟件SATWE 模塊進行計算，可以得到結構相關參數(shù)如表2所示。從表1可以看到：

四種方案的指標并沒有什么大的區(qū)別，質量比、最小剛度比1、最小剛度比2、最小樓層受剪承載力比值這幾個指標基本一樣；而其余的指標盡管有差異，但是相差不多。

從結構受力體系的合理程度上分析，采用方案一時工字鋼柱+平屋面模式時，結構布置傳力途徑明確，次梁傳至主梁、主梁傳至柱強軸方向，受力方式合理；采用方案二箱型鋼柱+平屋面模式時，結構布置傳力途徑明確，次梁傳至主梁、主梁傳至柱（無強弱軸之分），受力方式同樣合理；采用方案三工字鋼柱+坡屋面模式時，結構布置傳力途徑較明確，但存在主梁負擔較大荷載后傳至柱弱軸方向，不是典型工字鋼柱受力模式，建議后續(xù)工程建筑方案應考慮結構布置，調(diào)整此類方案；采用方案四結構采用工字鋼柱+坡屋面模式時，結構布置傳力途徑明確，次梁傳至主梁，主梁傳至柱（無強弱軸之分），受力方式合理。

2 結構技術經(jīng)濟性分析

本小節(jié)從用鋼量、鋼筋桁架樓承板用量以及防火涂料用量角度分析四種方案的技術經(jīng)濟性，表3為四種方案的技術經(jīng)濟性指標。

分析上表我們可知以下結論：

在這四種方案中，當采用坡屋面時，鋼柱用量同平屋面相比持平，但由于屋面坡度的存在，導致鋼梁用量大大增加。

選用相同型號樓承板時，當采用坡屋面時，鋼筋桁架樓承板用量較采用平屋面增加。

由于箱型截面柱的外露面積小于工字型截面柱，不論采用平屋面或是坡屋面，箱型截面柱的防火涂料面積均小于工字型截面。

綜合四種方案的用鋼量、鋼筋桁架樓承板用量及相應的防火涂料用量，我們可以得出，方案二平屋面+箱型柱的模式由于其用鋼量較小、樓承板面積較小且防火涂料使用量小，具有更好的經(jīng)濟效益，較其余方案能大大節(jié)省投資。

3 結語

通過PKPM建模分析、結構受力體系分析及結構技術經(jīng)濟性分析，我們得到以下結論：

不論屋面形式為坡屋面或是平屋面，采用工字型柱及箱型柱，對結構計算指標都并沒有特別大的差別。

根據(jù)結構受力體系分析得出，在采用坡屋面結構形式時，工字型柱結構布置傳力途徑較明確，但存在主梁負擔較大荷載后傳至柱弱軸方向，不是典型工字鋼柱受力模式。因此，當建筑需要選用坡屋面的建筑形式時，結構柱應優(yōu)先選用箱型柱，更有利于結構受力體系的合理性。

當采用坡屋面時，建筑物用鋼量及鋼筋桁架樓承板用量均高于平屋面時的使用量。

當變電站對建筑造型無特殊要求時，選用平屋面+箱型截面柱時，結構受力體系合理，建筑物技術經(jīng)濟性最佳，其次應采用平屋面+工字型截面柱，用鋼量與使用箱型截面柱時持平，但防火涂料使用量上較多，導致其技術經(jīng)濟性次于箱型截面柱形式。