随着城市的发展, 对城市电力建设带来两个问题:1) 电力需求持续增长, 需要更多深入市区的变电站, 而这些变电站要占用大量土地;2) 城市市区土地资源极为宝贵, 环境要求严格, 在稠密的市区选择变电站站址已越来越困难。而城市地下变电站的建设将较好地解决这些矛盾, 对环境影响较小, 可综合利用土地资源^[1]。但国内地下变电站成熟的案例较少, 并且地下结构所受地震作用与常规地面建筑有较大区别, 地面建筑在地震作用下主要表现为结构的自振, 而地下建筑表现为跟随土体一起振动变形, 地下建筑结构分析可采用反应位移法、等效侧力法、等效水平地震加速度法、土层时程分析法等进行计算^[2,3]。本工程采用土层时程分析法进行地震作用计算, 并将所得计算结果与反应谱法进行对比分析。其次, 由于电气设备布置的要求, 各层楼板均开有较大的洞口, 变电站全埋于地下, 在水土压力及地震作用下, 楼板应力较为复杂, 本工程采用三维有限元计算模型进行整体计算, 分析结构内力及楼板应力。本文通过苏州轨道交通3号线工程通园路110kV主变电站的结构设计, 对上述问题进行计算分析, 对今后类似项目的设计提供参考。

　　 本工程位于苏州市工业园区, 变电站主体平面尺寸为58.4m×27.7m, 埋深18.80m。建筑为地下3层, 变电站出地面为楼电梯门厅、风井以及大型设备的吊装口, 其上为覆土绿化, 地下1层为35kV配电装配室, 1#SVG设备室, 排风机房和二次设备室, 及其他附属用房, 层高5.700m;地下2层布置1#和2#主变室, GIS室, 2#SVG设备室, 110/35kV电缆室, 接地电阻和站用变电室等, 层高5.400m;地下3层为电缆夹层, 并配置气瓶间, 层高4.950m, 地下1层结构平面图、建筑纵剖面如图1, 2所示。

　　 结构的设计使用年限为50年, 耐久性使用年限为100年, 建筑结构的安全等级为一级。苏州市抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度值为0.10g, 设计地震分组为第一组。抗震设防类别为重点设防类 (乙类) , 建筑场地类别为Ⅲ类。场地实测等效剪切波速V_se为170m/s, 场地覆盖层厚度大于50m, 按《建筑抗震设计规范》 ([4]) ^[4] (2016年版) (简称抗规) 插值方法, 取场地特征周期T_g为0.53s, 场地土质条件较好。

　　 本工程为框架-剪力墙结构, 框架抗震等级为三级, 剪力墙抗震等级为二级。地下室底板、地下2层楼板、地下1层楼板、顶板的板厚分别为1 200, 400, 400, 500mm, 侧壁厚度均为800mm, 框架柱截面尺寸为700×700。

　　 本工程长宽比和高宽比均小于3, 按抗规宜采用空间结构分析计算模型并采用土层时程分析法计算地震作用。本工程对结构运用MIDAS GTS软件^[5]进行地震作用计算, 同时采用ETABS软件 (图3) 和SATWE软件进行地震作用补充计算, 并将所得计算结果进行对比分析。

　　 地下结构地震运动为一个随时间而变化的过程, 地下结构和周围岩土体介质视为共同变形受力的整体。土层时程分析法通过直接输入地震加速度记录, 在满足变形协调条件的前提下, 分别计算地下结构物和周围岩土体介质的位移、速度、加速度、内力和应变, 进而验算场地的稳定性, 并且进行结构截面设计^[6]。

　　 本工程典型横向宽度约27.7m, 模型两侧各取3倍宽度土体, 模型总宽度为192.9m, 纵向长度为58.4m, 模型两侧各取2倍宽度土体, 模型总长度为292m, 根据苏州地质土层分布情况, 本工程地表到基岩的深度约为100m。将地下结构单元划分为1m左右, 远离中心处单元尺寸逐渐加大, 单元网格类型均为四边形。单元划分在接触面上与土层平面单元耦合, 内部梁柱按1m分割。模型四周水平方向、地表为自由边界, 模型底部水平设置固定约束 (图4) 。时程分析采用2条实际强震记录地震曲线 (T1-Ⅲ-1波、El Centro Site (1940) 波) 和1条人工模拟加速度时程曲线 (TH63A1波) , 地震波的输入信息见表1, 基岩处地震动时程为地表处的一半, 对地震动加速度时程曲线取调整系数0.5, 最终得到计算模型基底处 (即基岩处) 的地震动时程输入信息。

　　 不同地下变电站结构计算模型的地震作用计算结果见表2, 由表中数据可以看出, ETABS和SATWE两种模型计算结果数值相差不大, 基本吻合。MIDAS GTS中3条地震波计算所得地震力均小于反应谱法计算结果, X向最大地震力为反应谱法的83%, Y向最大地震力为反应谱法的73%。

　　 MIDAS GTS土层时程分析法计算所得地震力小于PKPM时程计算结果, X向最大地震力为PKPM时程计算结果的80%, Y向最大地震力为PKPM时程计算结果的83%。STAWE与ETABS两种模型计算结果数值相近, 差值在规范允许的误差范围内。

　　 分析上述结果, 原因主要是地下土层较好, 地下结构受土层约束共同变形, 表现为土层承担更多的地震作用, 地下结构本身地震作用较小。地下结构由于埋深较深, 与土层结合较为紧密, 相比地上结构所受地震作用较小, 计算结果与国内相关地下结构地震作用研究结果一致^[7]。

　　 按抗规规定, 地下变电站应进行罕遇地震作用下的地震变形验算。三种软件计算主要指标见表3。按7度罕遇地震计算, 得到弹塑性层间位移角X向最大值为1/15 461, Y向最大值为1/8 334, 均小于1/250, 满足规范要求。

　　 地下变电站由于电气设备的布置及后期设备的安装、更换等要求, 顶板、地下1层和地下2层楼板均开有比较大的洞口, 楼板的刚度被极大地削弱, 变电站全埋于地下, 埋置深度较深, 在水土压力及地震作用下, 楼板应力较为复杂。由于开洞楼板在楼层处对局部墙体的约束作用减小, 外墙的受力也变得较为复杂。本工程结合建筑功能在楼层洞口边布置剪力墙, 主体结构采用框架-剪力墙结构, 其中框架部分布置于地下室中间, 剪力墙布置于地下室四周, 这样使水土压力及地震作用的水平传递变得直接, 本文进行了设置剪力墙和不设剪力墙的比较, 并采用ETABS建模进行楼板及外墙的内力计算, 楼板和外墙的内力图见图5, 6。

　　 由图5可知, 由于洞口较大, 而且局部洞口边放置荷载较大的电气设备, 使楼板的受力更为复杂。设置剪力墙的模型由于墙体承担了大部分的水平力, 楼板应力大大降低, 但局部也存在应力集中的现象, 因此在设计中楼板开洞边缘及角部应增加配筋及构造钢筋以减少后期的开裂风险。由图6可知, 外墙不设剪力墙的混凝土应力较大, 框架梁交外墙节点处拉应力高达10MPa左右, 应力集中现象明显, 设置剪力墙后外墙应力大幅降低, 约为不设剪力墙的50%, 剪力墙使侧压力的传递更为合理、直接;由于地下变电站埋深较深, 水压力较大, 外墙应力的降低也减少了外墙开裂的可能性, 并大幅减少了外墙的配筋;地下室外墙墙顶和墙底拉应力明显, 设计中应配置相当钢筋, 以满足受力及使用的要求。

　　 (1) 地下结构地震运动为一个随时间而变化的过程, 地下结构和周围岩土体介质共同变形、受力。

　　 (2) 本工程地下变电站整体刚度较好, 且在土质条件较好的情况下, 由于受土层约束影响, 所受地震力比地上结构小。

　　 (3) 本工程地下变电站由于楼板开洞较大使楼板及外墙受力均不合理, 剪力墙的设置可有效地降低楼板及外墙的应力;地下室外墙墙顶和墙底拉应力明显, 应相应增加配筋。