輕量化預制裝配式箱變基礎研究*

劉亞東

(上海中森建筑與工程設計顧問有限公司 200333)

引言

箱式變電站是將配電室集中組合到一個箱體內部, 以代替傳統的配電室, 而箱變基礎就是箱式變電站的基礎。箱式變電站需要放在一個水泥構造的底部中空的平臺上面, 電纜自基礎內部傳入箱變。傳統的箱變基礎采用“濕法”施工, 即現場澆筑、砌筑, 受季節氣候、人員等因素影響較大, 土方開挖量大, 施工復雜程度高[1,2]。如果把箱變基礎改為預制裝配式基礎, 相關構件由生產廠家按通用規范在工廠內生產完畢, 到現場后只需進行安裝連接, 則可以降低綜合造價, 縮短建設周期, 減少維護投入。

目前裝配式箱變基礎大多采用整體預制的形式, 即由一塊底板加環狀墻體拼接而成, 構件體量大, 重量重, 不便于生產和運輸, 經濟性差。本文研究的輕量化預制裝配式箱變基礎是將基礎分解成若干塊輕量化的構件, 在工廠制造后運至已開挖的基坑就地組裝, 可有效解決生產、運輸、安裝的問題。

1 輕量化預制裝配式箱變基礎概述

1.1 設計原則

根據箱變基礎的實際條件, 輕量化預制裝配式箱變基礎按以下原則進行設計[2]:

(1)滿足安全、穩定性和承載要求, 滿足箱式變電站正常使用要求。

(2)基礎組成構件重量輕、強度高, 且具有足夠剛度, 滿足運輸和施工的要求。

(3)摒棄傳統的土建現場“濕法”施工, 變現場澆筑、砌筑為工廠標準化生產后, 到現場按標準工藝快速拼裝, 縮短施工周期。凈化施工現場,減少施工期粉塵、噪音、污水污染及水資源消耗。(4)便于加工、減少安裝工作量和安裝誤差,構件外形力求簡潔, 構造措施簡單。

1.2 結構構造

輕量化預制裝配式箱變基礎由2 塊預制底板、4 塊預制側墻板、2 塊預制端墻板及上部4 塊L 型人行板和2 塊直線型人行板組成[3], 每個部件均為平板式預制構件, 以630kV 箱變基礎為例, 構件拆分信息如表1 所示, 結構三維爆炸示意如圖1 所示。

表1 630kV 裝配式箱變基礎構件信息Tab.1 Components information sheet of 630kV assembly foundation for box-type electric substation

圖1 輕量化預制裝配式箱變基礎爆炸示意Fig.1 Explosion diagram of assembly lightweight foundation for box-type electric substation

輕量化預制裝配式箱變基礎各預制板件通過螺栓實現全干法快速拼接, 其中底板在安裝有側板及端墻板處外伸插筋, 插筋端部車絲, 其連接原理是帶螺紋的鋼筋穿過墻板中預埋的連接件,借由墊板、螺帽鎖緊底板與墻板, 連接件在墻體內側開有150mm ×150mm 的安裝手孔, 墻板安裝完成后采用自密實混凝土進行封堵, 連接件的套管灌漿僅考慮對螺栓的保護作用, 此種連接方式已在裝配式建筑剪力墻的連接中有相關的研究與應用(圖2a)[4,5], 此外底板與墻板接觸面設置為粗糙面, 底板沿墻板內外側開有凹槽, 嵌入防水膠條后, 坐漿進行找平后安裝墻板, 進而增加了結構整體性和防水性能。

預制端墻板與側墻的連接同樣采用在板件連接處預埋螺紋套筒實現螺栓連接(圖2b), 各板件間接縫處均設有防水膠條, 同時可在接縫處外側附加一道防水卷材來增強結構的防水效果。

預制底板、預制側墻板的中間拼縫采用一種新型企口搭接節點(圖2c)[6], 采用連接鋼板通過螺栓連接兩塊預制板, 上部采用自密實混凝土封閉找平, 板件的企口及上部鋼板延長了滲水路徑, 有利于提高拼接板縫處的防水能力。

圖2 輕量化預制裝配式箱變基礎連接節點示意Fig.2 Connection node diagram of assembly lightweight foundation for box-type electric substation

結構上部的L 型人行板與直線型人行板為檢測人員提供操作平臺, 同時可增加產品美觀性,構件的連接同樣采用螺栓安裝于墻板上, 此時墻板的吊裝孔可兼作安裝孔, 實現一孔多用。

2 結構分析

2.1 結構整體受力分析

箱變基礎屬于半地下結構, 基底埋深約0.8m,以630kV 箱變基礎為例進行結構整體受力分析。結構所受荷載除自重外還包括水土壓力P、上部箱變線荷載G, 人行板的均布荷載Q及基地反力F, 如圖3 所示。采用Midas Gen 對其進行有限元分析,為充分考慮周圍土對結構的影響, 采用“面彈性支承”中的“彈性連接”模擬土彈簧作用, 特性均為“只受壓”。考慮板件間均為螺栓連接, 在拼接處對板端約束進行釋放, 荷載及約束釋放如圖4 所示。

結構整體受力分析各項結果云圖見圖5。

圖3 計算簡圖Fig.3 Calculation sketch

圖4 荷載及約束釋放示意Fig.4 Schematic diagram of load and restraint release

圖5 結構整體受力分析結果Fig.5 Structural force analysis results

由位移云圖可以看出, 結構最大變形為豎向1.37mm, 變形較小, 滿足使用要求。由結構剪力及彎矩云圖可以看出, 結構節點平均最大剪力為15.4kN, 最大剪力部位為底板與墻板拼接處, 最大彎矩為10.84kN·m, 出現在底板拼縫處, 根據分析結果依據相關規范[7]進行結構配筋計算, 采用12@250 雙層雙向布置即可滿足使用要求。

2.2 關鍵節點驗算

依據《鋼結構設計標準》(GB50017—2017)中11.4.1 條規定對結構拼接處的關鍵節點進行驗算[8], 以底板插筋連接處為例, 其中插筋采用20 鋼筋, 端部車絲。插筋所受的剪力和拉力為從結構整體分析中得出, 計算未考慮拼縫坐漿對抗剪的貢獻。

受剪承載力驗算:

軸向受拉承載力驗算:

同時承受剪力和桿軸方向拉力時, 承載力驗算:

式中:nv為受剪面數目;d、de為插筋的直徑和有效直徑;為插筋的抗剪和抗拉強度設計值;Nv、Nt為插筋所承受的剪力和拉力;為插筋的抗剪和抗拉承載力設計值。

經驗算底板與墻板的插筋連接滿足使用要求, 結構其他關鍵節點參照上述原則進行計算,各項指標均可滿足設計及使用要求。

2.3 結構抗浮穩定性驗算

依據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007—2011)中5.4.3 條規定以630kV 箱變基礎為例進行結構抗浮穩定性驗算[9], 由表1 可知基礎自重Gk為157.2kN。

浮力作用值為:

抗浮驗算:

3 工程應用

輕量化裝配式箱變基礎已在多個項目進行了工程試點應用, 總體施工時間可控制在2 ～3 小時內, 實現了“傍晚開槽, 快速安裝, 連夜回土,天明還路”的設計目標, 取得了良好的應用效果。工廠試拼裝情況如圖6 所示, 現場安裝情況如圖7 所示, 將試點工程應用與傳統的現澆鋼筋混凝土基礎和整體預制基礎進行綜合比較, 對比情況見表2。

圖6 工廠試拼裝情況Fig.6 Factory trial assembly situation

圖7 現場安裝情況Fig.7 Site installation

通過輕量化裝配式箱變基礎與傳統的現澆混凝土基礎和整體預制基礎的綜合性比較, 可以看出裝配式箱變基礎在構件重量、生產運輸、施工方式、施工時限、產品成本等方面具有較大優勢, 輕量化裝配式箱變基礎的單構件重量為整體預制基礎環狀墻體的1/6, 施工時限比傳統的現澆混凝土基礎節約6.5d, 工期大大縮短, 降低了工人的勞動強度, 提高了施工效率。

表2 現場澆筑、整體預制與輕量化預制綜合對比Tab.2 Comprehensive comparison of on-site pouring,overall prefabrication and lightweight prefabrication

4 結語

輕量化預制裝配式箱變基礎與傳統現澆和砌筑的箱變基礎相比, 在施工周期、產品質量、環境影響等方面均有較大優勢, 與整體預制的箱變基礎相比更便于生產和運輸, 可有效節約成本。輕量化的拆分方式可嘗試應用于其他電力部品部件, 如電纜井、環網柜基礎等, 同時新型的板板連接節點可借鑒應用于其他地下結構、房建、水利等領域。隨著項目的不斷開展和研究的不斷深入, 相信輕量化預制裝配式基礎將成為今后電力工程的主流發展趨勢。