裝配式變電站主變基礎模塊化設計方法研究

劉 超， 高奔浩， 李景哲, 胡子明, 王靜峰

(1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著建筑技術的高速發展,預制裝配式建筑以其模塊化設計,工業化生產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,國家電網公司便提出了建設“兩型一化”變電站(即資源節約型、環境友好型、工業化)的要求[2]。現階段,國網公司更是大力推進裝配式模塊化綠色變電站的建設,而預制裝配式技術正是這其中極為重要的一環[3]。

目前,裝配式建筑在變電站建設中主要應用于預制建筑物的主體結構,圍護結構和各類構筑物,如主控樓的建設中采用預制PC結構,變電站的圍墻采用預制復合墻板等[4-6]。而變電站土建工程中的設備基礎施工環節仍以現澆混凝土施工工藝為主,其典型代表之一就是主變壓器(GSU)基礎的建設。傳統主變設備基礎不僅體積大,且施工工期長,施工質量難以控制。傳統變電站主變壓器基礎如圖1所示。

圖1 主變壓器及基礎圖

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

1 模塊化設計方案

根據變電站主變壓器的傳統大體積現澆混凝土基礎存在著工程用量多、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,將模塊化基礎形式確定為梁柱一體化的框架結構形式。主變壓器基礎裝配式結構示意圖如圖2所示。

圖2 主變壓器基礎裝配式結構示意圖

主變壓器設備裝配式基礎共包括四類結構構件:① 地基梁,用于承受上部結構和設備的全部荷載并連同本身重量傳遞到地基上;② 基礎梁,用于承受上部荷載并將荷載傳遞到地基梁和地基上;③ 預制柱,用于增加基礎埋深和基礎整體剛度,將上部荷載傳遞到基礎梁上;④ 承臺梁,用于增加結構剛度,放置預埋件以支承電器變壓器,并將設備荷載傳遞到預制柱上。

主變基礎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,裝配式混凝土基礎在垂直方向上不進行拆分,以保障結構整體可靠性,水平方向上在地基梁的中部進行拆分,豎直方向上每2個預埋件、1個承臺梁、2個預制柱、1個基礎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個主變設備裝配式混凝土基礎整體。主變壓器設備裝配式基礎模塊化單元圖如圖3所示。

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

表1 裝配式模塊構件尺寸表

結合上述圖表可知,當采用模塊化設計方案后,主變壓器混凝土基礎的結構傳力形式更加清晰,混凝土用量可由148 t降低到52 t,節約混凝土約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 結構配筋與地基承載力計算

2.1 結構配筋

本文在開展裝配式變電站主變壓器模塊化基礎設計方案研究時,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。

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

圖4 主變壓器基礎裝配式模塊化構件配筋圖

2.2 地基承載力驗算

根據《變電站建筑結構設計技術規定》(DL/T 5457-2012)[7]中11.3.2節對于主變壓器基礎的規定,當設備正常運行時,主變設備基礎驗算地基承載力工況按照軸心受壓計算;當設備正在安裝時,主變設備基礎驗算地基承載力工況按照偏心受壓計算。

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

當設備正常運行時,在軸心受壓工況下,主變設備裝配式模塊化基礎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為底板總反力標準值(相當于荷載效應標準組合)；Nk為電器設備自重標準值；Gk為基礎自重標準值；A為基礎總底面積；Mxk為基礎x方向彎矩標準值;Wx為基礎底面x方向抵抗矩;Myk為基礎y方向彎矩標準值;Wy為基礎底面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為底板凈反力設計值(相當于荷載效應基本組合);N為電器設備自重設計值;G為基礎自重設計值;Mx為基礎x方向彎矩設計值;My為基礎y方向彎矩設計值。

在偏心受壓工況下,主變設備裝配式模塊化基礎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準值(相當于荷載效應標準組合);N為安裝工況時的自重標準值;G為基礎底板上部卵石或覆土的自重標準值;e為基礎重心至主變壓器安裝時設備著力點距離;W為基礎底面抵抗矩。

由上述計算結果可知,在兩種不同工況下,裝配式變電站主變壓器模塊化基礎的地基承載力均能滿足《變電站建筑結構設計技術規定》(DL/T 5457-2012)中對于主變壓器基礎的地基承載力規定要求。

3 結 論

(1) 裝配式變電站主變基礎采用模塊化設計相對于傳統大體積現澆混凝土設計方案,可節省混凝土用量約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模塊化設計符合現有設計規范要求,滿足實際工程地質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備基礎的選型提供設計依據與參考。