陸婧

蘭州倚能電力設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司 甘肅 蘭州 730050

引言

在全球能源日益緊張的背景下，我國(guó)電網(wǎng)的建設(shè)成就舉世矚目，現(xiàn)階段我國(guó)發(fā)電量已經(jīng)升至美國(guó)的1.85倍。為了保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全，變電站廠(chǎng)房的建設(shè)成為電網(wǎng)建設(shè)中的重要一環(huán)。由于現(xiàn)階段變電站廠(chǎng)房的設(shè)計(jì)過(guò)程中，多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為變電站廠(chǎng)房梁。而鋼筋混凝土自身的特點(diǎn)，使其在運(yùn)行的過(guò)程中容易受到溫度差異、外部負(fù)荷而引發(fā)裂縫。變電站廠(chǎng)房在運(yùn)行的過(guò)程中電氣設(shè)備使用較多，對(duì)變電站廠(chǎng)房梁所造成的影響也會(huì)相對(duì)比較嚴(yán)重，因此需要充分考慮到變電站的建設(shè)特點(diǎn)，分析變電站廠(chǎng)房梁裂縫的產(chǎn)生原因。

1 變電站廠(chǎng)房梁裂縫的產(chǎn)生原因

1.1 溫度裂縫

由于變電站廠(chǎng)房梁在建設(shè)的過(guò)程中，多采用鋼筋混凝土框架，磚砌墻體的形式進(jìn)行建設(shè)。而混凝土梁與磚砌體膨脹系數(shù)不一致，其受到溫度的影響也有較大的差距，導(dǎo)致兩者之間的伸縮量不盡相同。在受到溫度的影響下，磚砌體的伸縮量較低，而混凝土因溫度而膨脹伸縮的系數(shù)，通常在磚砌體的1.9～2.3倍左右，從而導(dǎo)致房梁與墻體之間出現(xiàn)一定的拉壓應(yīng)力作用，當(dāng)拉壓應(yīng)力超過(guò)房梁自身抗拉強(qiáng)度極限的情況下，就會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的應(yīng)力裂縫[1]。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房梁的建設(shè)過(guò)程中，水泥的水化反應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體內(nèi)外的溫度具有差異，當(dāng)水泥配比不合理、養(yǎng)護(hù)不佳的情況下，廠(chǎng)房梁的內(nèi)外溫差較大，很容易導(dǎo)致溫度應(yīng)力所引起的細(xì)小裂縫。而在梁使用的過(guò)程中，由于進(jìn)一步的承重負(fù)載，導(dǎo)致細(xì)小裂縫相互影響，從而形成肉眼可見(jiàn)的大型裂縫，對(duì)其的結(jié)構(gòu)、性能造成影響。

1.2 干縮裂縫

混凝土在澆筑施工的過(guò)程中，其中的水分會(huì)逐漸受到蒸發(fā)，由于水化反應(yīng)等原因，混凝土自身溫度較高的情況下，水分的蒸發(fā)速度過(guò)快，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)水分蒸發(fā)后的氣泡，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致表層混凝土的變形較大。在廠(chǎng)房梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，若沒(méi)有把握好混凝土的水泥比例，很容易導(dǎo)致外部形變速度高于內(nèi)部形變速度，從而導(dǎo)致因內(nèi)外形變差異而形成的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度的極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫。同時(shí)，部分混凝土在施工的過(guò)程中，干縮裂縫的產(chǎn)生往往是不可視的，并在其承受負(fù)載的情況下使內(nèi)部裂縫相互影響，并產(chǎn)生更大的裂縫[2]。

1.3 沉陷裂縫

變電站廠(chǎng)房的建設(shè)環(huán)境往往較為復(fù)雜，因此在進(jìn)行廠(chǎng)房設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)廠(chǎng)房建設(shè)地基進(jìn)行有效的調(diào)查。一方面需要做好對(duì)地基的處理，避免變電站廠(chǎng)房在使用的過(guò)程中出現(xiàn)較大的沉降，從而導(dǎo)致應(yīng)力存在相對(duì)比較集中的情況，使廠(chǎng)房梁受到的應(yīng)力方向發(fā)生變化。當(dāng)沉降所造成的形變超出房梁耐受極限時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致呈現(xiàn)裂縫的產(chǎn)生；另一方面，在變電站廠(chǎng)房建設(shè)的過(guò)程中，柱位產(chǎn)生的沉降相對(duì)較大，而廠(chǎng)房梁的下部支撐是由各個(gè)柱樁所組成的，廠(chǎng)房梁的荷載會(huì)隨著柱樁傳導(dǎo)至地基。若地基的承載能力不夠，則可能引起下沉的現(xiàn)象，在沉陷的情況下，會(huì)導(dǎo)致廠(chǎng)房梁出現(xiàn)變形的情況，當(dāng)變形應(yīng)力超出廠(chǎng)房梁抗剪、抗拉強(qiáng)度極限的情況下，就會(huì)導(dǎo)致沉陷裂縫的產(chǎn)生。

2 變電站廠(chǎng)房梁設(shè)計(jì)的裂縫控制

2.1 計(jì)算參數(shù)的合理選擇

由于變電站廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)在建設(shè)的過(guò)程中多采用框架結(jié)構(gòu)，變電站的廠(chǎng)房梁具有大開(kāi)間、大跨度的特點(diǎn)。導(dǎo)致其在荷載的過(guò)程中，內(nèi)部的應(yīng)力影響較大。因此在相關(guān)人員進(jìn)行房梁設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)房梁裂縫的寬度計(jì)算進(jìn)行有效的處理，從而有效控制房梁的拉伸極限值，以減少各種應(yīng)力引起的廠(chǎng)房量裂縫現(xiàn)象。

2.1.1 充分考慮梁柱重疊對(duì)應(yīng)力帶來(lái)的影響。梁柱重疊的過(guò)程中會(huì)對(duì)梁端的彎矩折減和梁端剛域帶來(lái)影響，在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，需要充分考慮梁柱重疊是否會(huì)對(duì)相關(guān)的參數(shù)帶來(lái)影響。例如在梁端剛域的情況下，兩端的彎矩會(huì)有所下降，通常會(huì)保持2%左右的下降幅度。而在梁端彎矩折減的情況下，兩端的彎矩降低現(xiàn)象會(huì)達(dá)到12.7%左右。在進(jìn)行參數(shù)計(jì)算的過(guò)程中，需要考慮到不同梁柱支座中心內(nèi)力對(duì)廠(chǎng)房梁受力情況所帶來(lái)的影響，實(shí)際控制其邊緣位置的內(nèi)力，以提升兩端的彎矩折減數(shù)值，從而使其能夠承受更大的應(yīng)力，以減少溫度或者干縮等情況對(duì)廠(chǎng)房梁裂縫寬度計(jì)算所帶來(lái)的影響[3]。由于在計(jì)算的過(guò)程中，梁端的彎矩折減計(jì)算若只采用對(duì)組合內(nèi)力進(jìn)行折減的情況下，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力可能會(huì)導(dǎo)致彎矩折減參數(shù)出現(xiàn)誤差，無(wú)法在設(shè)計(jì)的過(guò)程中有效降低裂縫寬度，從而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確。因此需要得到設(shè)計(jì)人員的充分重視。

2.1.2 充分考慮支座寬度對(duì)裂縫寬度帶來(lái)的影響。支座寬度對(duì)裂縫寬度帶來(lái)的影響相對(duì)較小，但在計(jì)算的過(guò)程中不能對(duì)其進(jìn)行缺省、不考慮。而是需要采取有效的措施對(duì)支座寬度進(jìn)行有效的控制，從而在考慮支座寬度的前提下，對(duì)裂縫寬度的計(jì)算進(jìn)行合理的控制。例如在平法出圖的過(guò)程中，裂縫寬度的計(jì)算需要充分重視支座中心內(nèi)力對(duì)裂縫寬度標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力的影響。在實(shí)際控制的過(guò)程中，需要根據(jù)具體的建設(shè)情況進(jìn)行深入分析，從而在變電站場(chǎng)房梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)配筋的調(diào)整對(duì)裂縫寬度進(jìn)行控制。比如在裂縫寬度控制在0.3mm的情況下，若不考慮支座寬度的影響，房梁的配筋比率會(huì)比平均比率增加16%左右；而在裂縫寬度控制到0.2mm時(shí)，考慮到支座寬度的影響，可以有效降低配筋的比率。因此在計(jì)算的過(guò)程中，需要充分考慮支座寬度對(duì)裂縫寬度帶來(lái)的不良影響。

2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)裂縫寬度超限的處理

裂縫寬度超限的情況下，意味著變電站廠(chǎng)房?jī)?nèi)部應(yīng)力超出房梁設(shè)計(jì)的拉伸力極限值。通常情況下，可以通過(guò)改變房梁的橫截面積并提升鋼筋配筋比率，對(duì)房梁設(shè)計(jì)的拉伸應(yīng)力進(jìn)行調(diào)整。

首先，在改變配筋的過(guò)程中，可以通過(guò)加大配筋量、使用細(xì)鋼筋、施加預(yù)應(yīng)力、增加支撐桿等方式提升房梁的穩(wěn)定性。通常會(huì)采用加大配筋量的方式進(jìn)行直接調(diào)整。該方式最簡(jiǎn)單最直接，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致房梁截面鋼筋過(guò)多、過(guò)密的情況，使房梁鋼筋澆筑施工的難度提升，無(wú)法保障混凝土施工的質(zhì)量；在采用細(xì)鋼筋的情況下，細(xì)鋼筋具有更好的經(jīng)濟(jì)性，但由于鋼筋直徑的改變，很難對(duì)裂縫的寬度進(jìn)行有效的調(diào)控，并在房梁截面寬度要求的情況下，很難通過(guò)增加細(xì)鋼筋的數(shù)量來(lái)提升房梁的抗應(yīng)力作用[4]。也因此，該方式在房梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中實(shí)際應(yīng)用較少。但在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮最經(jīng)濟(jì)、可靠的方式提升房梁強(qiáng)度；而在施加預(yù)應(yīng)力的過(guò)程中，由于預(yù)應(yīng)力混凝土施工較為麻煩，變電站廠(chǎng)房的規(guī)模又較小，施加預(yù)應(yīng)力工程可能會(huì)導(dǎo)致工程成本的增加，因此在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要根據(jù)房梁裂縫的實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。通常情況下，該方式的應(yīng)用優(yōu)先級(jí)較低。

其次，在采用增加房梁截面積提升房梁強(qiáng)度的情況下，截面積的增大會(huì)導(dǎo)致房梁自身的體積增加、自重增加，并引起房梁內(nèi)力增加，很容易導(dǎo)致房梁應(yīng)力隨之而增加。在相互作用的影響下，增加房量截面積的方式很難對(duì)房梁裂縫寬度進(jìn)行有效的影響。而在增加房梁截面積的過(guò)程中，為了使其達(dá)到良好的效果，還需要進(jìn)一步增加建筑整體的總高和層高，以確保房梁安裝凈高的要求，使工程整體的施工成本提升。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，在變電站廠(chǎng)房梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，若需要控制房梁裂縫寬度超限的情況，則需要優(yōu)先考慮鋼筋直徑進(jìn)行有效的調(diào)整，然后采取增加配筋量的方式對(duì)房梁的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。而在房梁配筋量過(guò)大、過(guò)密的情況下，再考慮增加房梁截面積的方式。但同時(shí)需要注意的是，若增加截面積尺寸，需要充分考慮到變電站廠(chǎng)房墻體支柱的承載能力，并遵循強(qiáng)柱弱梁的抗震理念，提升支柱的承載能力，并根據(jù)實(shí)際的需求合理調(diào)整配筋量，以避免對(duì)工程總體成本帶來(lái)的不良影響。

2.3 不同裂縫寬度對(duì)配筋量的影響

在展開(kāi)變電站廠(chǎng)房梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了使其能夠應(yīng)對(duì)因溫度、干縮、沉降等原因所帶來(lái)的裂縫，降低裂縫對(duì)房梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，需要充分考慮不同裂縫寬度控制要求對(duì)配筋量所帶來(lái)的影響。根據(jù)國(guó)家對(duì)變電站建筑建設(shè)的要求中可以確定，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房梁，其最大裂縫寬度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.2mm。而在實(shí)際的裂縫寬度控制過(guò)程中，控制裂縫寬度在0.3mm以?xún)?nèi)時(shí)，實(shí)際的鋼筋面積應(yīng)為計(jì)算值的1.42倍。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)控制到0.2mm以?xún)?nèi)時(shí)，則需要將鋼筋面積的比例控制為計(jì)算值的1.92倍左右。可以看出，在實(shí)際控制的過(guò)程中，具體的裂縫控制標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于配筋量的影響較大。

通過(guò)對(duì)變電站使用環(huán)境的分析，變電站的使用年限通常為50年，運(yùn)行條件相對(duì)于民用建筑較好。由于變電站室內(nèi)運(yùn)行空間的濕度有控制要求，室內(nèi)濕度較低，使其對(duì)房梁混凝土結(jié)構(gòu)造成的影響較低。相關(guān)人員在展開(kāi)混凝土配筋量計(jì)算的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到變電站實(shí)際的使用環(huán)境、需求對(duì)房梁所帶來(lái)的各種影響，從而避免鋼筋量的增加，減少工程整體投資成本。同時(shí)，由于變電站廠(chǎng)房梁的配筋量往往是由裂縫寬度控制的，在裂縫寬度控制的過(guò)程中，需要充分考慮到梁端負(fù)彎矩調(diào)幅的數(shù)值，并根據(jù)支座的負(fù)彎矩情況對(duì)量體進(jìn)行正彎矩的調(diào)整，從而形成更加穩(wěn)定的量體支撐結(jié)構(gòu)，并有效增加大跨中正彎矩，對(duì)裂縫寬度進(jìn)行控制[5]。此外，在增加房梁混凝土結(jié)構(gòu)配筋比率的同時(shí)，還需要增加支座的鋼筋面積，從而對(duì)負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。使房梁的承載能力、抗拉伸強(qiáng)度得到有效提升。而在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也需要適當(dāng)調(diào)整負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)，將其設(shè)置為1，同時(shí)增加支柱的配筋比例，使其符合變電站廠(chǎng)房梁設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。

2.4 采用鋼筋代換法控制裂縫寬度

在變電站廠(chǎng)房梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，采用的鋼筋主筋通常使用拉伸強(qiáng)度較好的變形鋼筋。比如最常見(jiàn)的HRB400和HRB400E同為三級(jí)鋼筋，后者具有較強(qiáng)的抗震性能，價(jià)格也較高。但不同的鋼筋，其能夠發(fā)揮的承載力、抗拉伸能力和性能具有較大的差別。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要根據(jù)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度以及配筋比率、配筋面積和實(shí)際的需求，采用鋼筋替換法來(lái)確保房梁的強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)效益。比如在某變電站廠(chǎng)房的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其采用的HRB400鋼筋的強(qiáng)度較高，但該區(qū)域位于地震帶，因此需要采用有抗震性能的HRB400E，但是HRB400E的鋼筋價(jià)格較高，同時(shí)HRB400的配筋面積依然可以滿(mǎn)足房梁整體的強(qiáng)度需求。因此，可以采用價(jià)格更低的HRB400鋼筋合理代換部分HRB400E鋼筋，以控制裂縫寬度，保證梁抗震性能的同時(shí)，降低工程施工成本。

在具體的鋼筋代換過(guò)程中，需要充分考慮到不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變電站廠(chǎng)房，其裂縫寬度控制時(shí)對(duì)鋼筋的放大系數(shù)要求不同。為了進(jìn)一步保障房梁強(qiáng)度滿(mǎn)足抗震需求和裂縫預(yù)防需求，需要進(jìn)行整體計(jì)算確定配筋值，并采取對(duì)應(yīng)的鋼筋進(jìn)行配筋。比如在采用HRB400替代HRB335時(shí)，其截面的配筋比率有較大的差別，需要在完整的計(jì)算后進(jìn)行等面積代換，而不是等強(qiáng)代換，從而避免裂縫寬度無(wú)法得到有效的控制，并保證變電站廠(chǎng)房梁結(jié)構(gòu)的耐久性。但同時(shí)也會(huì)增加梁的強(qiáng)度和剛度，需要充分考慮其對(duì)房梁抗震性能的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，變電站廠(chǎng)房梁設(shè)計(jì)的過(guò)程中，引起梁出現(xiàn)裂縫的主要原因是由于溫度、干縮、沉降等原因引起的應(yīng)力裂縫。因此，相關(guān)人員在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)針對(duì)裂縫控制的原則，對(duì)配筋比率進(jìn)行合理的計(jì)算。通過(guò)前期的有效設(shè)計(jì)，合理控制裂縫的寬度，在減少鋼筋材料用量的同時(shí)，提升梁的強(qiáng)度和彎矩調(diào)幅能力，從而有效控制變電站廠(chǎng)房梁的裂縫寬度，為變電站的建設(shè)提供可靠保障。