裝配式變電站主變基礎(chǔ)模塊化設(shè)計方法研究

劉 超， 高奔浩， 李景哲, 胡子明, 王靜峰

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著建筑技術(shù)的高速發(fā)展,預(yù)制裝配式建筑以其模塊化設(shè)計,工業(yè)化生產(chǎn)和綠色化建造等特點得到了國家和地方的大力推廣[1]。早在2006年,國家電網(wǎng)公司便提出了建設(shè)“兩型一化”變電站(即資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化)的要求[2]。現(xiàn)階段,國網(wǎng)公司更是大力推進裝配式模塊化綠色變電站的建設(shè),而預(yù)制裝配式技術(shù)正是這其中極為重要的一環(huán)[3]。

目前,裝配式建筑在變電站建設(shè)中主要應(yīng)用于預(yù)制建筑物的主體結(jié)構(gòu),圍護結(jié)構(gòu)和各類構(gòu)筑物,如主控樓的建設(shè)中采用預(yù)制PC結(jié)構(gòu),變電站的圍墻采用預(yù)制復(fù)合墻板等[4-6]。而變電站土建工程中的設(shè)備基礎(chǔ)施工環(huán)節(jié)仍以現(xiàn)澆混凝土施工工藝為主,其典型代表之一就是主變壓器(GSU)基礎(chǔ)的建設(shè)。傳統(tǒng)主變設(shè)備基礎(chǔ)不僅體積大,且施工工期長,施工質(zhì)量難以控制。傳統(tǒng)變電站主變壓器基礎(chǔ)如圖1所示。

圖1 主變壓器及基礎(chǔ)圖

采用預(yù)制裝配式技術(shù)可有效解決上述問題,但現(xiàn)有文獻和工程案例中鮮有此類報道。因此,本文以“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工”為設(shè)計思路,在確保結(jié)構(gòu)受力合理性的前提下,充分考慮制作、運輸、安裝等環(huán)節(jié)的實際工程可行性,設(shè)計研究出了一種適用于變電站主變壓器基礎(chǔ)的模塊化裝配式結(jié)構(gòu)形式。本文主要介紹了此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案與結(jié)構(gòu)形式,開展了結(jié)構(gòu)配筋和地基承載力的計算研究,分析了該結(jié)構(gòu)的主要特點。

1 模塊化設(shè)計方案

根據(jù)變電站主變壓器的傳統(tǒng)大體積現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)存在著工程用量多、分層澆筑工期時間長、總體造價高等特點,針對其主要受軸力的荷載類型和受力特點,將模塊化基礎(chǔ)形式確定為梁柱一體化的框架結(jié)構(gòu)形式。主變壓器基礎(chǔ)裝配式結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 主變壓器基礎(chǔ)裝配式結(jié)構(gòu)示意圖

主變壓器設(shè)備裝配式基礎(chǔ)共包括四類結(jié)構(gòu)構(gòu)件:① 地基梁,用于承受上部結(jié)構(gòu)和設(shè)備的全部荷載并連同本身重量傳遞到地基上;② 基礎(chǔ)梁,用于承受上部荷載并將荷載傳遞到地基梁和地基上;③ 預(yù)制柱,用于增加基礎(chǔ)埋深和基礎(chǔ)整體剛度,將上部荷載傳遞到基礎(chǔ)梁上;④ 承臺梁,用于增加結(jié)構(gòu)剛度,放置預(yù)埋件以支承電器變壓器,并將設(shè)備荷載傳遞到預(yù)制柱上。

主變基礎(chǔ)在豎直方向上主要承受軸向壓荷載,而水平方向上幾乎不承受剪力和彎矩,針對此受力特點,裝配式混凝土基礎(chǔ)在垂直方向上不進行拆分,以保障結(jié)構(gòu)整體可靠性,水平方向上在地基梁的中部進行拆分,豎直方向上每2個預(yù)埋件、1個承臺梁、2個預(yù)制柱、1個基礎(chǔ)梁和左右兩邊的地基梁形成一組模塊化單元,每4個模塊化單元在水平方向上連接形成1個主變設(shè)備裝配式混凝土基礎(chǔ)整體。主變壓器設(shè)備裝配式基礎(chǔ)模塊化單元圖如圖3所示。

本文以某實際工程中的220 kV型號SFSZ-240 000/220的電力變壓器基礎(chǔ)為設(shè)計案例,采用傳統(tǒng)大體積現(xiàn)澆混凝土設(shè)計方案時,基礎(chǔ)整體尺寸為:長×寬×高=7 800 mm×4 400 mm×1 800 mm;對其進行模塊化設(shè)計研究后,各構(gòu)件的尺寸見表1。

表1 裝配式模塊構(gòu)件尺寸表

結(jié)合上述圖表可知,當(dāng)采用模塊化設(shè)計方案后,主變壓器混凝土基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)傳力形式更加清晰,混凝土用量可由148 t降低到52 t,節(jié)約混凝土約65%,且施工過程中采用全裝配式施工流程,可縮短工期約28 d。

2 結(jié)構(gòu)配筋與地基承載力計算

2.1 結(jié)構(gòu)配筋

本文在開展裝配式變電站主變壓器模塊化基礎(chǔ)設(shè)計方案研究時,采用強度等級C30的混凝土,fc=14.30 N/mm2,ft=1.43 N/mm2;縱筋強度等級為HRB400,fy=360 N/mm2,fy'=360 N/mm2;箍筋強度等級為HPB300,fy=270 N/mm2。

各構(gòu)件在進行配筋計算時,其中預(yù)制梁構(gòu)件按照正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力計算;預(yù)制柱可采用小偏心受壓短柱構(gòu)件按照正截面受壓承載力計算和斜截面承載力計算。各構(gòu)件的配筋簡圖如圖4所示。

圖4 主變壓器基礎(chǔ)裝配式模塊化構(gòu)件配筋圖

2.2 地基承載力驗算

根據(jù)《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5457-2012)[7]中11.3.2節(jié)對于主變壓器基礎(chǔ)的規(guī)定,當(dāng)設(shè)備正常運行時,主變設(shè)備基礎(chǔ)驗算地基承載力工況按照軸心受壓計算;當(dāng)設(shè)備正在安裝時,主變設(shè)備基礎(chǔ)驗算地基承載力工況按照偏心受壓計算。

主變設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計的工程案例選取的工程設(shè)計參照國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計[220kV變電站模塊化建設(shè)(2017年版)AH-220-A1(10)方案],工程地質(zhì)、水文和氣象條件參照合肥地區(qū)情況。其中修正后的地基承載力特征值為fa=150 kPa,基礎(chǔ)與覆土的平均容重為20.0 kN/m3,基礎(chǔ)埋深為1.50 m,上部電氣設(shè)備正常運行時總質(zhì)量為282.1 t,設(shè)備安裝時質(zhì)量為179.0t。

當(dāng)設(shè)備正常運行時,在軸心受壓工況下,主變設(shè)備裝配式模塊化基礎(chǔ)的地基承載力驗算如下:

pk=(Nk+Gk)/A+|Mxk|/Wx+|Myk|/Wy

=(2 764.58+509.60)/29.60+0.0+0.0

=110.61≤fa=150.0kPa

(1)

式中：pk為底板總反力標(biāo)準(zhǔn)值(相當(dāng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合)；Nk為電器設(shè)備自重標(biāo)準(zhǔn)值；Gk為基礎(chǔ)自重標(biāo)準(zhǔn)值；A為基礎(chǔ)總底面積；Mxk為基礎(chǔ)x方向彎矩標(biāo)準(zhǔn)值;Wx為基礎(chǔ)底面x方向抵抗矩;Myk為基礎(chǔ)y方向彎矩標(biāo)準(zhǔn)值;Wy為基礎(chǔ)底面y方向抵抗矩。

pmax=N/A+|Mx|/Wx+|My|/Wy

=3732.18/29.6+0.0+0.0

=126.09≤1.2*fa=180.0kPa

(2)

式中:pmax為底板凈反力設(shè)計值(相當(dāng)于荷載效應(yīng)基本組合);N為電器設(shè)備自重設(shè)計值;G為基礎(chǔ)自重設(shè)計值;Mx為基礎(chǔ)x方向彎矩設(shè)計值;My為基礎(chǔ)y方向彎矩設(shè)計值。

在偏心受壓工況下,主變設(shè)備裝配式模塊化基礎(chǔ)的地基承載力驗算如下:

=128.88≤1.4fa=210kPa

(3)

式中:pkmax為變壓器安裝工況時的底板總反力標(biāo)準(zhǔn)值(相當(dāng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合);N為安裝工況時的自重標(biāo)準(zhǔn)值;G為基礎(chǔ)底板上部卵石或覆土的自重標(biāo)準(zhǔn)值;e為基礎(chǔ)重心至主變壓器安裝時設(shè)備著力點距離;W為基礎(chǔ)底面抵抗矩。

由上述計算結(jié)果可知,在兩種不同工況下,裝配式變電站主變壓器模塊化基礎(chǔ)的地基承載力均能滿足《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5457-2012)中對于主變壓器基礎(chǔ)的地基承載力規(guī)定要求。

3 結(jié) 論

(1) 裝配式變電站主變基礎(chǔ)采用模塊化設(shè)計相對于傳統(tǒng)大體積現(xiàn)澆混凝土設(shè)計方案,可節(jié)省混凝土用量約65%,縮短工期約28 d,該方案施工便捷可靠。

(2) 通過配筋計算和地基承載力驗算等方法可知,裝配式變電站主變基礎(chǔ)模塊化設(shè)計符合現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范要求,滿足實際工程地質(zhì)情況下的地基承載力要求。

(3) 本研究方案可為裝配式變電站主變壓器設(shè)備基礎(chǔ)的選型提供設(shè)計依據(jù)與參考。