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摘要：通过对变电站钢框架结构的结构分析和经济性分析，确定了平屋盖和斜屋盖结构柱的优化选择。基于此，本文对变电站建筑屋面形式及结构柱选型进行了研究，首先分析了研究屋面形式对变电站影响内容，然后分析了屋面形式对变电站单层钢框架结构柱选型影响的研究，最后提出了结构技术经济性分析，以期为相关人员提供参考。
关键词：变电站；建筑屋面；结构柱；选型
本文探讨了屋顶形式对变电所单层钢框架结构柱选型、整体钢框架结构和变电所建筑成本的影响。在对结构分析和框架用钢量进行经济分析的基础上，确定了在平屋面和坡屋面条件下最优的结构柱选择，从而方便了后续变电站工程中单层钢框架结构的设计。
1屋面形式对变电站单层钢框架结构柱选型影响的研究
本文拟以《国家电网输变电工程通用设计35kV-110kV智能变电站模块化建设施工图设计》中的110-A2-4为例，以前期工作中积累的经验和 PKPM软件计算结果为依据，对4种方案进行比较，探讨其在平房型和斜房型两种类型下的柱子选择问题。平屋顶的坡度设置在5%左右，进行了构造找坡；为了达到对电气设备吊装净距的要求，同时也为了方便后期施工，防止因为坡度超过25%而需要采取额外的防水卷材及混凝土防脱落固定措施，并根据以往的工程经验，将配电装置室的各个房间的屋顶坡度设置为16.5%。该方案的详细信息列于表1中。
表1方案介绍
方案介绍 | 楼承板型号 | 钢柱型号 | 钢柱型号(GIS室、主变压器室 |
平屋面+工字型柱 | HB2-100 | H400×320×12×18 | H500×500×16×25 |
平屋面+箱型柱 | HB2-100 | 400×400×12×12 | 500×500×16×16 |
坡屋面+工字型柱 | HB2-100 | H400×250×12×16 | H500×500×16×25 |
坡屋面+箱型柱截面 | HB2-100 | 400×400×12×12 | 500×500×16×16 |
将配电设备室的结构参数设置为：地震设防烈度为8℃（0.2 g)，第2组，场地等级为Ⅱ类，建筑抗震设防等级为丙类；屋顶的恒荷载为1.5 kN/m2，活荷载为1.5 kN/m2，建筑屋顶都被视为不上人屋面，在这一项研究中，并没有将设备吊钩荷载对结构的影响考虑在内。本文使用的是SATWEV5.2.2版本的 PKPM软件。
运用PKPM软件SATWE对其进行了分析，得出了与其结构有关的参数，见表2。
表2四种方案指标汇总表
指标项 | 方案一：平+工 | 方案二：平+箱 | 方案三：坡+工 | 方案四：坡+箱 | |
总质量(t) | 660.89 | 660.86 | 617.36 | 618.99 | |
质量比 | 1.00<[1.5](1层1塔) | 1.00<[1.5](1层1塔) | 1.00<[1.5](1层1塔) | 1.00<[1.5](1层1塔) | |
最小刚度比1 | X向 | 1.00>=[1.00](1层1塔) | 1.00>=[1.00](1层1塔) | 1.00>=[1.00](1层1塔) | 1.00>=[1.00](1层1塔) |
Y向 | 1.00>=[1.00](1层1塔) | 1.00>=[1.00](1层1塔) | 1.00>=[1.00](1层1塔) | 1.00>=[1.00](1层1塔) | |
最小刚度比2 | X向 | 1.00>[1.00](1层1塔) | 1.00>[1.00](1层1塔) | 1.00>[1.00](1层1塔) | 1.00>[1.00](1层1塔) |
Y向 | 1.00>[1.00](1层1塔) | 1.00>[1.00](1层1塔) | 1.00>[1.00](1层1塔) | 1.00>[1.00](1层1塔) | |
最小楼层受剪承载力比值 | X向 | 1.00>[0.80](1层1塔) | 1.00>[0.80](1层1塔) | 1.00>[0.80](1层1塔) | 1.00>[0.80](1层1塔) |
Y向 | 1.00>[0.80](1层1塔) | 1.00>[0.80](1层1塔) | 1.00>[0.80](1层1塔) | 1.00>[0.80](1层1塔) | |
结构自振周 期(s) | T1=0.5774(X)T4=0.4485(Y)T2=0.5313(T) | T1=0.4727(Y)T2=0.4459(T) | T1=7.3413(T) | T1=7.3391(T) | |
有效质量系数 | X向 | 99.96%>[90%] | 99.84%>[90%] | 97.40%>[90%] | 93.35%>[90%] |
Y向 | 92.69%>[90%] | 93.44%>[90%] | 91.77%>[90%] | 90.29%>[90%] | |
最小剪重比 | X向 | 10.41%>[3.20%](1层1塔) | 9.56%>[3.20%] (1层1塔) | 4.93%>[2.40%](1层1塔) | 4.77%>[2.40%](1层1塔) |
Y向 | 12.21%>[3.20%(1层1塔) | 12.23%>[3.20%](1层1塔) | 7.37%>[3.20%(1层1塔) | 8.03%>[3.20%](1层1塔) | |
最大层间位移角 | X向 | 1/389<[1/250](1层1塔) | 1/663<[1/250](1层1塔) | 1/466<[1/250](1层1塔) | 1/1592<[1/250](1层1塔) |
Y向 | 1/773<[1/250](1层1塔) | 1/697<[1/250](1层1塔) | 1/827<[1/250](1层1塔) | 1/880<[1/250](1层1塔) | |
最大位移比 | X向 | 1.38<[1.50](1层1塔) | 1.48<[1.50](1层1塔) | 1.53>[1.50](1层1塔)局部震动，可忽略 | 1.68>[1.50](1层1塔)局部震动，可忽略 |
Y向 | 1.45<[1.50](1层1塔) | 1.47<[1.50](1层1塔) | 1.64>[1.50](1层1塔)局部震 动，可忽略 | 1.65>[1.50](1层1塔)局部震动，可忽略 | |
最大 层间 位移比 | X向 | 1.00<[1.50](1层1塔) | 1.10<[1.50](1层1塔) | 1.50<[1.50](1层1塔) | 1.28<[1.50](1层1塔) |
Y向 | 1.09<[1.50](1层1塔) | 1.09<[1.50](1层1塔) | 1.22<[1.50](1层1塔) | 1.23<[1.50](1层1塔) | |
四种设计方案的各项指标差别不大，其中质量比、最小刚度比1、最小刚性比2和最小层间抗剪承载力比等指标相差不大；其他的数据，虽然也有不同，但大同小异。
从结构受力系统的合理性方面来看，在工字钢柱+平屋盖的方案中，结构的传力路径是清楚的，由次梁传递到主梁，由主梁传递到柱子，使其受力形式是合理的。在使用方案二箱型钢柱+平屋面模式的时候，结构布置传力途径明确，次梁传至主梁、主梁传至柱（无强弱轴之分），受力方式同样合理。在使用方案三工字钢柱+坡屋面模式的时候，结构布置传力途径较明确，但是存在着主梁负担较大荷载后传至柱弱轴方向的情况，不是典型的工字钢柱受力模式，因此建议后续工程建筑方案应考虑结构布置，对此类方案进行调整。当方案四的结构采用工字钢柱+坡屋面模式时，结构布置的传力路径明确，次梁传至主梁，主梁传至柱（没有强弱轴之分），受力方式合理的。
2结构技术经济性分析
从钢材用量、钢桁架、防火涂料三个方面分析了四种方案的技术经济效果。表3为四种方案的技术经济性指标。
表3技术经济指标表
指标项 | 方案一：平+工 | 方案二：平+箱 | 方案三：坡+工 | 方案四：坡+箱 | 备注 |
钢柱规格 | H400×320×12×18 (H500×500×16×25) | 箱400×400×12×12(500×500×16×16) | H400×250×12×16(H500×500×16×25) | 箱400×400×12×12(500×500×16×16) | 括号内为主变压器室及110kVGIS室柱 |
钢柱用量(t) | 43.9 | 43.8 | 43.9 | 43.8 | |
钢梁规格 | H500×220×10×14(H400×200×8×10) | H500×220×10×14(H400×200×8×10) | H500×220×10×14(H450×220×10×14) | H500×220×10×14(H450×220×10×14) | 括号内为次梁 |
钢梁用量(t) | 44.1 | 44.1 | 50.8 | 50.8 | |
楼承板规格 | HB2-100,板厚130mm | HB2-100,板厚130mm | HB2-100,板厚130mm | HB2-100,板厚130mm | |
楼承板用量(m²) | 978.71 | 980.27 | 991.92 | 993.50 | |
钢柱外露面积(m²/m) | 2.056(2.968) | 1.6(2.0) | 1.776(2.968) | 1.6(2.0) | |
钢梁外露面积(m²/m) | 1.86(1.584) | 1.86(1.584) | 1.86(1.76) | 1.86(1.76) | |
防火涂料(m²) | 1420.0648 | 1246.524 | 1460.99 | 1305.084 |
通过对上述表格的分析，可以得出如下结论：
四种形式中，斜坡屋顶的钢柱量与平坡屋顶相同，而斜坡屋顶的斜坡屋顶将使钢梁的数量大幅增加。
在同一类型的楼面结构中，斜顶结构的楼面结构比平顶结构的楼面结构要多。因为箱形截面柱的暴露面积比工字截面柱要小，所以不管是使用平屋顶还是坡屋顶，都比工字截面柱的防火涂料面积小。
将四种方案的用钢量、钢筋桁架楼承板用量及相应的防火涂料用量进行综合分析，可以得到结论：方案二的用钢量较小、楼承板面积较小且防火涂料使用量小，所以方案二拥有更好的经济效益，与其他方案相比，它能大幅节省投资。
3结论
经过 PKPM建模分析、结构受力体系分析及结构技术经济性分析，我们得出：无论屋面形式为坡屋面还是平屋面，采用工字型柱及箱型柱对结构计算指标的影响都不大。通过对结构受力系统的分析发现，当采用斜屋顶的时候，工字钢柱的结构布置方式具有较为清晰的传力路径，但是也有一些情况，即主梁负重过大的荷载，然后传递到柱的弱轴向，这不是一个典型的工字钢柱的受力方式。因此，在采用斜屋顶的情况下，应该以箱形柱顶为主，这样才能使结构的受力系统更加合理。在使用斜面屋顶的情况下，房屋所需的钢和加劲桁架楼板要比使用平面屋顶的情况多。如果变电站对建筑造型没有特别的要求，那么在选择平屋面+箱型截面柱的时候，它的结构受力体系是合理的，建筑物的技术经济性是最佳的。其次，应该采用平屋面+工字型截面柱，它的用钢量与使用箱型截面柱时相等，但是在防火涂料的使用量上比较多，所以它的技术经济性仅次于箱型截面柱形式。
参考文献；
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