强震区水电站中大跨度高框架建筑物设计研究

胡 冰， 谭 盛 凛， 阳 运 生

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 朝阳 100024)

0 前 言

我国规划和在建的大中型水电站多集中在水能资源丰富的西南地区，该地区地震频发，同时，地震烈度较高，这对水电站厂房、开关楼、进水塔等大跨度、高框架建筑物的设计提出了更高的要求。迄今，水电站框架结构抗震结构分析研究已比较充分，然而，对结构抗震具体措施探讨较少[1]。赵景研究了尾水平台较高、主副厂房之间没有分缝的地面厂房抗震设计，将屋顶与排架铰接连接方式改为简支，在一定程度上提高了厂房的抗震效果[2]。针对大跨度高框架结构，井向阳采用“加腋”与“加梁”措施提高了框架结构的局部刚度与整体刚度，从而达到了防震抗震的目的[3]。

在已建的水利水电工程中，大跨度、高框架建筑物抗震措施主要是采用混凝土内部加强配筋的方式[4]。但是，加强配筋不仅增大了工程投资，还增大了混凝土浇筑的难度。苏洼龙水电站主变开关楼钢筋混凝土多层框架结构，利用空间有限元分析软件SETWE，研究了强震工况下，大跨度高框架建筑物抗震设计及其效果，可供类似工程参考。

1 结构抗震设计

苏洼龙水电站主变开关楼布置有主变压器、输配电线路终端、开关设备，是电能进行集中、分配、交换和保护的场所。主变开关楼尺寸为129.0 m×18.5 m×46.0 m(长×宽×高)，地面以下分为GCB层和厂高变层，采用钢筋混凝土结构，强度等级为 C25；地面以上分为主变层、管道层和GIS层，采用钢筋混凝土框架结构，强度等级为C30；同时，建筑物楼顶设有500kV出线塔架。主变开关楼沿纵向分为1、2、3号及4号主变段，其中1号主变段，2、3号主变段，4号主变段之间设有结构缝。该楼跨度大、楼层高，预留孔洞多，强震下混凝土结构与塔架结构动力作用机理十分复杂。

苏洼龙水电站主变开关楼结构设防烈度为Ⅷ度，设防地震烈度地震动峰值水平加速度为0.238 g，工程抗震等级为一级。

2.1 结构特性分析

2.1.1 计算荷载

主变开关楼结构计算荷载包括结构自重、楼面荷载、风荷载、雪荷载、机电设备荷载、塔架自重、顶部线路荷载及桥机吊重。

2.1.2 计算模型

首先，在PKPM中建立了主变开关楼框架模型(见图1)，同时，考虑到框架结构与塔架结构联合受力，建立了ABAQUS整体模型(见图2)，模型嵌固端取在主变开关楼顶面。ABAQUS整体模型计算的塔架基础受力作为输入条件之一施加于PKPMM框架模型中。

图1 主变开关楼框架模型

图2 ABAQUS整体模型

2.1.3 设计反应谱

据《水工建筑物抗震设计标准》GB51247-2018，标准设计反应谱参数应符合以下规定[5]：

(1) 周期小于0.1 s的区段，β(T)取从1.0到βmax直线段；

(2) 自0.1 s至特征周期的水平段，β(T)取最大值βmax；

(3) 自特征周期至3s区段，β(T)按公式β(T)=βmax(Tg/T)0.6取值。

苏洼龙水电站工程区50年超越概率10%的基岩动峰值加速度为0.182 g，主变开关楼按50年超越概率5%的地震设防，其基岩水平动峰值加速度的代表值为0.238 g，地震波反应谱数据见图3。

图3 地震波反应谱数据

2.1.4 不利因素分析

2.1.4.1 设备荷载重

苏洼龙主变开关楼单个主变压器重290 t，共4个，仅布置于3根横梁之上；单个塔架重108 t，共3个，布置于屋顶主梁之上。如此大的荷载对主变开关楼结构抗震设计提出了严峻的考验。

2.1.4.2 结构高度大

受地形和场地限制，主变压器、GIS开关系统及出线塔架均布置于一处，建筑物底板至塔架顶部总高度78.0 m。

《建筑抗震设计规范》(2016年版)GB50011-2010规定[6]：甲、乙类建筑以及高度大于24 m的丙类建筑物，不应采用单跨框架结构；高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。

苏洼龙主变开关楼工程抗震设防类别为乙类，该楼地面以上高度为32.0 m，其中主变层、管道层两层总高度15.5 m，为双跨框架结构；GIS层层高16.5 m，为单跨框架结构；总体来看，地面以上的结构可称之为“伪单跨框架结构”，结构抗震布置极为不利。

2.1.4.3 考虑因素多

苏洼龙主变开关楼框架结构不仅与钢结构塔架联合受力，同时间接受到0号出线塔的水平与竖向拉力，结构受力复杂。

2.1.5 结构抗震设计

2.1.5.1 合理优化结构体系

(1)抗震墙-框架结构体系。苏洼龙主变开关楼为抗震墙-框架结构体系，建筑物基础为微风化花岗岩，以弱卸荷为主，地面以下为厚墙结构，高度14.0 m，分为GCB层和厂高变层，具有足够的基础埋深。地面以上为框架结构，高度32.0 m，楼板均为现浇混凝土板，具备良好的整体性。

(2)合理设置防震缝。结合楼顶出线塔架布置，沿主变开关楼长度方向设置两道防震缝，将整个建筑物分为三道独立的抗震体系，分别为1号主变段(40.70 m)，2号、3号主变段(50.50 m)，4号主变段(37.35 m)。综合考虑建筑物抗震设防烈度、结构单元高度及地震扭转效应，确定了防震缝宽度为200 mm，保证地震下建筑物两侧的上部结构单独受力。

(3)细化梁柱节点设计。PKPM结构设计时，梁柱节点一般设置为固接，对于强柱弱梁，柱相对线刚度比梁柱大得多，在外力作用下，梁端变形受到了柱的约束，在两端产生了支座负弯矩，该负弯矩与外力荷载基本成正比。因此当梁长度较短，外力荷载较大时，支座负弯矩也较大，导致梁端支座极易发生破坏。此处将该梁端设计为塑性铰，降低其支负弯矩。当梁端弯矩较大，超出了该梁截面的受弯承载力后，塑性铰设计可进行弯矩调幅，控制混凝土梁在受力过程的约束条件，有效地释放了梁端弯矩。

根据建筑物不同的受力情况，设置相应的梁柱连接节点(见图3)，有效地保证了结构抗震性能。

图4 梁柱连接节点

2.1.5.2 平衡横纵结构刚度

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010规定[7]：高层建筑物结构平面形状宜简单、规则，质量、刚度和承载力分布宜均匀。

主变开关楼1号主变段长宽比(L/B)为2.2；2号、3号主变段长宽比(L/B)为2.7；4号主变段长宽比(L/B)为2.0。因此，该建筑物横向(B)刚度远远小于纵向(L)刚度，建筑物在横向方向将会产生较大的地震响应。结构设计时，减少纵向梁截面，增大横向梁截面，减小结构刚度薄弱带的影响，平衡横纵向结构刚度，有效地增强了结构抗震能力。横纵方向主梁布置见图5。

图5 横纵方向主梁布置图

2.1.5.3 调整结构侧向刚度

《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010规定：抗震设计时，高层建筑相邻楼层的侧向刚度变化应符合下列规定：

对框架结构，楼层与其相邻上层的侧向刚度比γ可按式(3.5.3-1)计算，且本层与相邻上层的比值不宜小于0.7，与相邻上部三层刚度平均值的比值不宜小于0.8。

(1)

式中γ为楼层侧向刚度比；Vi、Vi+1为第i层和第i+1层的地震剪力标准值(kN)；Δi、Δi+1为第i层和第i+1层在地震作用标准值作用下的层间位移(m)。

主变开关楼主变层层高11.0 m，管道层层高4.5 m，GIS层层高16.5 m，层高高度变化极大，如此大的层高变化对结构楼层剪力及层间位移极为不利。为了保证建筑物侧向刚度均匀变化，结构设计时采取了以下措施：

(1)强化主变层顶层结构，增加梁截面，结构设计中该层梁高宽比接近1.0；

(2)弱化管道层顶层结构，减小梁截面，仅布置不可缺少的主梁；

(3)减小管道层内部结构柱截面，最大限度弱化管道层质量及刚度。

通过以上措施，人为地将管道层构建为虚拟层间结构，在侧向刚度角度，原五层结构变为四层：GCB层、厂高变层、主变层及GIS+管道层，有效解决了强震下层高高度变化较大的难题。主变开关楼结构和结构侧向刚度示意图见图6、7。

图6 主变开关楼结构图

2.2 计算结果

2.2.1 结构立面规则性

整理主变开关楼计算结果，建筑物楼层多方向剪切刚度比(见图8)、楼层多方向刚度比(见图9)均满足规范要求。

图7 结构侧向刚度示意图

图8 多方向剪切刚度比简图

图9 多方向刚度比简图

2.2.2 地震分析及调整

地震工况下，主变开关楼楼层剪力(见图10)和楼层剪重比(见图11)均满足规范要求。

图10 主变开关楼楼层剪力简图

图11 楼层剪重比简图

2.2.3 结构楼层位移统计

地震工况下，主变开关楼楼层最大位移(图12)及结构最大层间(图13)位移角均满足规范要求。

图12 主变开关楼楼层最大位移简图

图13 结构最大层间位移角简图

3 结 语

苏洼龙水电站主变开关楼，采用空间有限元分析软件SETWE研究强震区大跨度高框架建筑物结构设计。通过深入分析建筑物不利因素，合理优化结构体系.采用抗震墙-框架结构体系，保证了结构抗震的整体协调性。设计中，设置两道防震缝，给予主变开关楼框架结构主动分缝，改善结构抗震条件。同时，细化梁柱节点设计，平衡结构应力分布，满足节点关键区承载力要求。

通过平衡结构平面及竖向刚度，避免出现刚度突变及薄弱层，有效抑制结构扭转效应，保证了结构在地震荷载作用下的受力合理性。

苏洼龙水电站主变开关楼通过结构抗震构造设计的深入研究，满足了建筑物强震下楼层侧向剪切刚度、楼层剪重比、层间位移角等要求，保证了结构在地震状况的协调性和稳定性。