变电站多层装配式建筑结构分析

1/1变电站多层装配式建筑结构分析XX电网公司XXXX220kV变电站设计竞赛依托工程勘察设计招标技术部分多层装配式建筑物结构分析专题报告多层装配式建筑物结构分析专题报告2013年年6月摘要变电站的建筑物的结构布置取决于设备平面布置、设备安装运输等因素。

对于装配式的钢结构厂房来说，合理的结构布置以及梁、柱截面的选型都会对建筑物的可靠性、造价等产生重要影响。

本专题对工程中柱间距以及梁柱的选型进行了对比分析，确定5米宽度为多层装配式建筑物最佳柱间距，在框架梁的选择上摒弃了传统的H型钢梁和箱型梁，而采用波形钢腹板PC组合梁，有效降低梁高1/3左右，从而降低了建筑物的层高，节约了工程造价。

目录第一章结构布置1第二章柱截面的选择2第三章梁截面的选择23.1波纹钢腹板PC组合梁介绍33.2国内外研究现状63.2.1波纹腹板梁抗弯研究73.2.2关于波纹钢腹板承载能力研究73.2.3对波纹钢腹板PC梁实桥的设计、施工研究83.3本项目中的应用计算10第四章地基处理14第五章建筑物抗震设计及构造155.1设计依据155.1.1设计荷载155.1.2材料属性155.1.3螺栓及锚栓155.1.4焊接材料165.1.5预埋件165.1.6防火涂料165.2抗震构造165.3计算要点205.4计算结果215.4.1结构变形215.4.2结构内力215.4.3支座反力215.4.4结构布置21小结211第一章结构布置变电站建筑物的平面布置取决于电气设备的布置，以及设备运输、检修通道等因素，框架的跨度根据电气设备的尺寸加上合理的通道，基本上是一个定值。

在用材相同的情况下，如何合理地布置柱间距以及梁柱的截面形式对建筑物的用钢量起决定性的作用，从而影响建筑的造价。

表1-1以本次设计中的110kVGIS配电装置楼为例通过柱间距的变化对建筑的梁柱钢材用量进行分析比较。

图1-1结构计算模型图1-2柱平面布置图2表1-1柱间距分析柱间距（m）45678用钢量（t）124118125132139通过上表比较，柱间距取值在5米左右，是装配式建筑物基础以上部分造价最经济合理的。

但是通过柱距的调整，建筑物框架柱的数量也会相应变化，随之而来基础的工程量也会相应变化。

由于各工程的地基条件有差异，故不同的工程可以根据上下部分的总工程量选择合理的柱间距，以达到经济更优的效果。

本工程地基条件较好，基础工程量随着柱距的递增减少的投资量有限，以5m和6m的柱间距为例，6m的用钢量比5m增加了7吨，费用大约在8万左右；而基础工程量仅减少了8m3，费用大约在8千左右。

上部结构钢材的用量对工程造价起主导作用，故本次设计柱间距布置以5m为主导。

第二章柱截面的选择1、H型钢：

轧制H型钢是多层框架柱最常用的截面形式。

其优点是轧制成型，加工量少；翼缘宽而等厚，截面经济合理；截面是开口的，杆件连接较容易；规格尺寸多，可直接用于柱。

2、箱形截面：

其优点是受弯承载力较强，而且截面性能没有强轴、弱轴之分。

缺点是需要拼接焊接，焊接工艺要求高，加工量大。

通过结构分析，两种截面在用钢量基本相同。

通过上面的分析，H型钢能更好地满足装配式建筑的要求，故本工程柱截面采用H型钢。

第三章梁截面的选择框架梁一般采用工字形截面，受力很大时采用箱型截面。

本工程3屋面框架梁根据荷载的要求如采用工字形截面，由于楼面荷载较大，为了能够满足承载力和变形的要求，工字形截面梁的高度取值偏大，从而影响整个建筑的高度。

箱形截面虽然受弯承载力较强，但是其焊接工艺要求高，加工量大。

本次设计框架梁采用波纹钢腹板PC组合梁。

图3-1楼面梁剪力包络图图3-3楼面梁弯矩包络图3.1波纹钢腹板PC组合梁介绍波形钢腹板PC组合梁就是用波形钢腹板代替梁混凝土腹板形成的一种钢-混凝土组合梁。

这种组合箱梁结构的特点是：

占自重25％左右的腹板采用轻型钢板，可以大幅度减轻梁的自重，使基础工程在内的下部结构减少，从而降低了材料用量和造价。

工程对比计算表明，与PC4梁相比，波形钢腹板预应力组合梁的混凝土减少22％，纵向预应力钢筋减少33％，普通钢筋减少10％。

由于不需要混凝土腹板，相应减少了钢筋和模板的拼装、拆除作业，缩短了工期。

在结构上看，波形钢腹板PC组合箱梁充分利用了混凝士抗压，波形钢腹板质轻、抗剪屈服强度高的优点。

由于波形钢腹板不抵抗作用的轴向力，所以能有效地对混凝土顶板底板施加预应力。

并且，波形钢腹板不约束梁顶板和底板由于徐变和干燥收缩所产生的变形，避免了由于钢腹板的约束作用所造成的箱梁截面预应力损失，加之又采用了体外预应力索，免除了在混凝土腹板内预埋管道的繁杂工艺减少了预应力钢筋的用量。

与过去的结构相比，波形钢腹板PC组合梁的结构更加合理，具有十分广阔的应用前景。

这种组合梁结构的特点是：

占自重25%左右的腹板采用轻型钢板，可以大幅度减轻箱梁的自重，使包括基础工程在内的下部结构材料用量和造价减少。

工程对比计算表明，与PC箱梁相比，波形钢腹板预应力组合箱梁的混凝土减少22%，纵向预应力钢筋减少33%，普通钢筋减少10%。

由于不需要混凝土腹板，相应减少了钢筋和模板的拼装、拆除作业，缩短了工期。

5图3-4波形钢腹板组合梁截面图如图3-4，在结构上看，波形钢腹板PC组合梁充分利用了混凝土抗压，波形钢腹板质轻、抗剪屈服强度高的优点。

由于波形钢腹板不抵抗作用的轴向力，所以能有效地对混凝土顶板底板施加预应力。

并且波形钢腹板不约束箱梁顶板和底板由于徐变和干燥收缩所产生的变形，避免了由于钢腹板的约束作用所造成的梁截面预应力损失，加之又采用了体外预应力索，免除了在混凝土腹板内预埋管道的繁杂工艺减少了预应力钢筋的用量，与过去的结构相比，波形钢腹板PC组合箱梁的结构更加合理。

图3-5波形钢腹板的外形6图3-6波形钢腹板外部结构如图3-5、6分别为波形钢腹板的外形和外部结构，波纹钢腹板PC组合梁是一种新型的桥梁结构形式，它是由混凝土顶底板、体外预应力筋和波纹钢腹板构成的组合结构，是对传统的混凝土梁的一种改进。

与普通混凝土腹板梁相比，它恰当地将钢、混凝土结合起来，混凝土顶底板抗弯，波纹钢腹板抗剪，充分发挥了材料的使用效率。

该结构自重轻，抗震性能好，运输和吊装方便，经济美观，综合优势突出，可以解决现在很多大跨连续梁或连续刚构中出现的混凝土腹板开裂问题，提高结构的耐久性。

波纹钢腹板预应力组合梁具备缩短工期、降低成本、提高效益等多项优点。

由于社会经济的高速发展，波形钢腹板PC组合梁在世界范围内已得到广泛关注和应用，已建桥梁也从以前的小规模、小跨径、结构形式单一逐渐向大规模、大跨径、结构形式丰富发展。

3.2国内外研究现状由于社会经济的高速发展，波形钢腹板PC组合梁在世界范围内已得到广泛关注和应用，已建桥梁也从以前的小规模、小跨径、结构形式单一逐渐向大规模、大跨径、结构形式丰富发展。

73.2.1波纹腹板梁抗弯研究波纹钢腹板梁在纯弯状态下的应力和破坏特征的理论，是基于埃格兰和哈明顿教授于20世纪90年代初做的波纹钢腹板梁抗弯试验。

该试验选取了若干根各种波纹形状的模型波纹钢腹板梁，采用挠度计测试其各种工况下的挠度，并采用应变计测试梁各个部位在各种工况下的应变，最后利用这些数据在有限元分析软件中模拟了波纹钢腹板梁的加载过程。

模型试验结果表明，波纹钢腹板梁首先是开始于上翼缘板的屈服，直接导致波纹腹板的屈曲破坏。

通过这个实验结果表明，波纹钢腹板所承担的应力很小，远小于顶、底板的应力，所以弯矩几乎完全由、顶底板承担，波纹钢腹板在抵抗弯曲方面基本不起作用。

埃格兰和哈明顿教授进行的有限元分析计算结果，与得其试验结果基本相吻合。

格兰和哈明顿教授的计算结果进一步验证了波纹钢腹板基本上不能抵抗弯矩的结论。

3.2.2关于波纹钢腹板承载能力研究早在Basler时代，世界上很多国家的学者都对柔腹板板梁的承载能力做了相关的试验，同时也对其理论进行了深入研究，其中对于波纹钢腹板梁的研究并没有像带加劲肋的平钢腹板梁一样普及。

在20世纪80年代，Bergfelt等研究人员对波纹钢腹板梁做了剪力及条形荷载作用承载试验。

在当时，数值分析已经作为承载力研究中的一项重要应用技术。

在90年代初，Edlund及Lu。

对均布荷载作用下波纹钢腹板梁极限承载能力的影响因素(主要因素有:波纹钢腹板的初始几何缺陷、波纹钢腹板的应力-应变曲线、波纹8钢板在加工过程中产生的残余应力、荷载的作用位置以及分布长度等)进行了研究，在通过非线性有限元法计算后，得到了许多对实际设计施工很重要的结论。

2001年，马来西亚学者Y.A.Khal和C.L.Chan等人针对波纹钢腹板在采用不同的结构尺寸时的承载能力建立了有限元模型并进行了大量分析，并将其结果与平钢腹板的分析结果进行了对比，分析结果表明，波纹形状为竖向的钢腹板梁，其承载能力明显较大，而水平波纹钢腹板梁和平钢腹板梁承载力的仅为竖向波纹钢腹板梁的50%左右。

波形钢腹板PC组合梁作为一种新型的钢-混凝土组合结构，充分利用了混凝土抗压，波形钢腹板抗剪屈服强度高的优点，有效地将钢，混凝土两种材料结合起来，扬长避短，提高了材料的使用效率，只一种经济，合理，高效的结构形式，随着我国对波形钢腹板PC组合梁结构研究不断深入和应用技术的成熟，它将在我国的桥梁工程中得到越来越广泛的应用。

3.2.3对波纹钢腹板PC梁实桥的设计、施工研究对于波纹钢腹板PC组合梁桥来说，法国以及日本在这方面的研究较多，并且其研究的重点在实际工程应用。

如法国的Maupre桥及Cognac桥，在施工之前专门为了解钢腹板的屈曲强度及可行性而做了大量的模型试验，并且对设计中的一些问题进行了相应的数值分析计算，而且为了取得更多的数据，积攒更多的经验，在工程竣工后又做了多次静动荷载试验。

9日本为了精确得到波纹钢腹板的抗剪、弯及变形值，针对本国波纹钢腹板PC梁桥做了大量的有限元分析，成桥后的静动荷载试验等。

同时在波纹钢腹板PC混凝土箱梁桥的设计过程中也提供了一些工作经验及相应的分析数据。

除此之外，日本针对本国波纹钢腹板PC组合梁桥的构造特点，通过大量的强度试验，研究出了数种波纹钢腹板与混凝土顶板及底板的连接方式，并得出了一整套钢腹板与混凝土接合部处理方式的设计理念。

同样，对于波纹钢腹板每个节段之间的连接处理，日本对其结合方式也做了大量疲劳试验以及强度试验，并得到了相应的理论。

20世纪末，日本学者依田照彦和谷口望教授采用非线性方法对钢腹板PC组合梁进行了分析，该分析数据与试验结果相比被证实为真实。

随后在1998年，日本的上平嫌二教授从相应的有限元分析数据出发，得到了波纹钢腹板PC组合箱梁桥的抗扭刚度计算理论公式。

随后在1999年，上平嫌二教授又对横隔板间距对抗扭刚度的影响作了深入的分析研究，在此基础上得到了钢腹板PC组合梁的横隔板间距与抗扭刚度的关系曲线。

2002年，日本的加藤久人教授对梁弯曲理论进行了改进，在考虑到剪切变形的基础下得到了组合箱梁的挠度方程。

随后在2003年，西村宣男以及加藤久人教授又利用改进的梁弯曲理论，推导出了采用波纹钢腹板的斜拉桥以及连续梁的实用分析计算方法。

此外，日本众多学者还在波纹钢腹板PC梁的动力性能方面有很大的建树。

10自20世纪末至今，世界各国在大量各种类型的修建波纹钢腹板组合PC梁桥的过程中，不断完善和优化波纹钢腹板组合梁桥的设计、施工和管理，而且许多欧美国家己经制定或者正在制定相关的设计、施工规范。

而且，国外许多学者和科研机构对波纹钢腹板箱梁桥的分析深度正在加深，己经从单一的静力分析上升到动力分析、疲劳性能研究以及综合分析上。

同时许多国家政府部门不断的将大量资金的投入该领域，而且是将模型试验与理论的有限元分析地结合起来进行的。

总之，波纹钢腹板PC组合梁桥在欧美国家的计算设计理论与施工方法经验已经十分成熟。

3.3本项目中的应用计算11图3-7波形钢腹板示意图截面如图3-7所示，采用1600型波形钢腹板，厚度为10mm。

纵向布置如图3-8所示：

波形钢腹板300600100203505502012图3-8波形钢腹板纵向布置示意图1.混凝土板混凝土板有效翼缘宽度确定：

混凝土板有效翼缘宽度：

012600ebbbbmm=++=混凝土翼缘板面积：

2600000cfAmm=混凝土翼缘板对其形心轴的惯性矩：

450000000cfImm=翼缘形心距梁底：

590.1mm2.钢梁(不考虑波形钢腹板抗弯作用)腹板高度：

500mm上翼缘面积：

600mm2上翼缘形心距离梁底：

530mm上翼缘对梁底的面积距：

3180000mm3钢梁截面积：

12000mm2钢梁形心距梁底：

270mm上翼缘对钢梁形心的惯性矩：

405800000mm4钢梁对其形心轴的惯性矩：

811610416.7mm4133.承载力验算已知最大正弯矩为:1078kNm最大负弯矩为:1359kNm最大剪力为747kN计算波形钢腹板梁截面抗弯承载力时不考虑腹板和受拉混凝土板，仅考虑上翼缘钢板、上翼缘混凝土板、下翼缘钢板、下翼缘混凝土板中钢筋。

计算抗剪承载力时仅考虑腹板贡献。

首先应计算抗弯承载力：

塑性中和轴位置：

上翼缘混凝土板内中和轴距翼板顶的距离：

111mm中和轴至各部分顶部距离：

10.9mm组合梁抗弯承载力设计值：

1530.19kNm(1359kNm1078kNm)满足要求抗剪承载力设计值为：

1270kN(747kN)满足要求4.刚度验算组合截面抗弯刚度为：

2.84352E+14Nmm2若按照简支梁均部荷载计算，跨度取为：

10500mm其跨中挠度为：

v=5/384qL4/EI=46mm(10500/400=26.25mm)不符合要求，故在跨中应设置反拱，反拱值为40mm此时组合梁整体挠度值为：

v=46-40=6mm符合要求。

14通过设置体外预应力钢筋来实现，则需共设置10根Ф15.2钢绞线，预应力为1395MPa。

5．与普通钢梁比较采用预应力波形钢腹板组合梁时，钢梁高度为550mm，而普通钢梁则需要高度为800mm，可见采用预应力波形钢腹板组合梁时，梁高大约可节省1/3。

第四章地基处理根据淄博中化220kV变电站工程可研阶段岩土勘查报告，拟选站址区上覆地层为第四系全新统残坡积层，岩性为粉质粘土；下伏地层为二叠系石盒子组（P）泥岩。

粉质粘土：

黄褐色，可塑状态，稍湿，混少量碎石，层厚一般小于2m，承载力特征值建议采用：

fak＝110～130kPa。

泥岩：

灰黄色，全风化，呈坚硬土状，层厚一般3～4m，承载力特征值建议采用：

fak＝160～200kPa。

泥岩：

灰黄色，强风化，泥质结构，块状构造，呈碎块状，承载力特征值建议采用：

fak＝200～300kPa。

站区地质条件较为理想，站内主要建构筑物基础均考虑天然地基，浅埋形式，基础持力层为全风化泥岩，220kV配电装置室局部处于填方区，需挖除表层粉质粘土，以全风化泥岩为持力层，基底未至持力层处采用毛石砼换填至设计基底标高的处理方式，考虑到全风化泥岩持力层和毛石砼承载力的差别，采用在基础下设置500厚的级配碎石褥垫层，调节不均匀沉降。

15第五章建筑物抗震设计及构造5.1设计依据5.1.1设计荷载设计荷载见表5.1-1。

表5.1-1设计荷载序号荷载名称数值1恒荷载屋面：

4.0kN/m2(压型钢板底模现浇板)2活荷载屋面活载：

0.70kN/m2（不与雪荷载同时考虑）楼面活载：

10kN/m2（110kVGIS室）12kN/m2（220kVGIS室）3雪荷载基本雪压：

0.35kN/m2（不与屋面活荷载同时考虑）4风荷载离地10m高100年一遇10min平均最大风速：

22.96m/s5地震作用抗震设防烈度7度；设计地震基本加速度0.1g；地震动反应谱特征周期0.4s6场地类别场地类别为Ⅱ类，中硬场地土5.1.2材料属性（1）框架柱、梁、节点板均采用Q345B钢；钢板化学成分和力学性能应符合《碳素结构钢》的规定；（2）钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2；（3）钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20％。

5.1.3螺栓及锚栓高强螺栓为10.9级摩擦型高强螺栓。

Q235B钢摩擦面的抗滑移系数不小于0.45。

高强螺栓施工应遵照《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验16收规程》的要求。

普通螺栓均为安装螺栓，其等级为C级，强度等级4.6级，材质为Q235B,锚栓均采用Q345B级钢。

5.1.4焊接材料（1）手工焊接对Q345B钢的焊接，采用E50XX低氢型焊条，应符合《低合金钢焊条》的规定；（2）自动焊或半自动焊焊丝和焊剂应保证其熔敷金属的力学性能不低于现行国家标准《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》和《低合金钢埋弧焊用焊剂》中相关的规定。

5.1.5预埋件直锚筋与锚板采用T型焊。

锚筋直径不大于20mm时，采用压力埋弧焊；锚筋直径大于20mm时，采用穿孔塞焊。

5.1.6防火涂料防火涂料的技术指标应符合《钢结构防火涂料应用技术规范》的规定。

5.2抗震构造根据《建筑抗震设计规范》，本工程站内联合建筑满足最大高度90m、最大高宽比6.0要求，同时应符合抗震等级四级的计算和构造措施。

（1）框架柱的长细比，二级不应大于120。

（2）框架梁、柱板件宽厚比，应符合表5.2-1的规定：

表5.2-1框架梁、柱板件宽厚比限值17（3）梁柱构件的侧向支承应符合下列要求：

1)梁柱构件受压翼缘应根据需要设置侧向支承。

2)梁柱构件在出现塑性铰的截面，上下翼缘均应设置侧向支承。

3)相邻两侧向支承点间的构件长细比，应符合现行国家标准《钢结构设计规范》的有关规定。

（4）梁与柱的连接构造应符合下列要求：

1)梁与柱的连接宜采用柱贯通型。

2)柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时宜采用箱形截面，并在梁翼缘连接处设置隔板；隔板采用电渣焊时，柱壁板厚度不宜小于16mm，小于16mm时可改用工字形柱或采用贯通式隔板。

当柱仅在一个方向与梁刚接时，宜采用工字形截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。

3)工字形柱(绕强轴)和箱形柱与梁刚接时(图5.2-1)，应符合下列要求：

18图5.2-1柱与梁刚接a)梁翼缘与柱翼缘间应采用全熔透坡口焊缝；应检验焊缝的V形切口冲击韧性，其夏比冲击韧性在-20℃时不低于27J。

b)柱在梁翼缘对应位置应设置横向加劲肋(隔板)，加劲肋(隔板)厚度不应小于梁翼缘厚度，强度与梁翼缘相同；c)梁腹板宜采用摩擦型高强度螺栓与柱连接板连接(经工艺试验合格能确保现场焊接质量时，可用气体保护焊进行焊接)；腹板角部应设置焊接孔，孔形应使其端部与梁翼缘和柱翼缘间的全熔透坡口焊缝完全隔开；d)腹板连接板与柱的焊接，当板厚不大于16mm时应采用双面角焊缝，焊缝有效厚度应满足等强度要求，且不小于5mm；板厚大于16mm时采用K形坡口对接焊缝。

该焊缝宜采用气体保护焊，且板端应绕焊；e)二级时，宜采用能将塑性铰自梁端外移的端部扩大形连接、梁端加盖板或骨形连接。

（5）框架梁采用悬臂梁段与柱刚性连接时(图5.2-2)，悬臂梁段与柱应采用全焊接连接，此时上下翼缘焊接孔的形式宜相同；梁的现场拼接可采用翼缘焊接腹板螺栓连接或全部螺栓连接。

19图5.2-2悬臂梁段与柱刚性连接（6）箱形柱在与梁翼缘对应位置设置的隔板，应采用全熔透对接焊缝与壁板相连。

工字形柱的横向加劲肋与柱翼缘，应采用全熔透对接焊缝连接，与腹板可采用角焊缝连接。

（7）当节点域的腹板厚度不满足本规范规定时，应采取加厚柱腹板或采取贴焊补强板的措施。

补强板的厚度及其焊缝应按传递补强板所分担剪力的要求设计。

（8）梁与柱刚性连接时，柱在梁翼缘上下各500mm的范围内，柱翼缘与柱腹板间或箱形柱壁板间的连接焊缝应采用全熔透坡口焊缝。

（9）框架柱的接头距框架梁上方的距离，可取1.3m和柱净高一半二者的较小值。

（10）上下柱的对接接头应采用全熔透焊缝，柱拼接接头上下各100mm范围内，工字形柱翼缘与腹板间及箱型柱角部壁板间的焊缝，应采用全熔透焊缝。

（11）钢结构的刚接柱脚宜采用埋入式。

（12）钢结