預制艙支腿式地基抗震分析

殷帥兵 魏 偉 張 棒 呂志娟 閆建華 丁麗平

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著我國國民經濟的發展，城市規模不斷擴大，以及“雙碳目標”的提出[1，2]，變電站、新能源儲能站的建設需求逐步增強[3，4]。預制艙作為變電站以及新能源儲能站建設的重要設備之一，以其加快整站建設速度、縮短建設周期的優勢，很好地滿足了變電站建設“快”的要求。

近年來，越來越多的變電站和儲能站項目建設地點偏僻，甚至出現在沿海灘涂、濕地沼澤等環境惡劣的地方，傳統的水泥澆筑式地基已不能滿足需求。本文針對以上項目需求，設計了一種支腿式預制艙地基，并對地基進行了抗震工況的分析，確保其使用的可靠性，很好地滿足項目需求。

1 預制艙支腿式地基介紹

傳統的水泥砌筑式地基如圖1所示，是目前工程上應用最廣泛的預制艙地基形式，其特點是結構穩固、可靠性好，缺點是建設周期長，受地形限制較大。

支腿式地基如圖2所示，采用H型鋼兩端焊接法蘭板的形式。預制艙通過法蘭板連接于地基之上，如圖3所示。可根據預制艙的長度設計支腿式地基的個數，其特點是可用于沼澤地、沿海灘涂等惡劣環境，建設成本低，預制式生產，建設周期短。

2 仿真計算

對支腿式預制艙地基，其主要工況為承重工況及抗震工況，其中抗震工況為最為惡劣的工況。本文對支腿式預制艙支架應用于預制艙產品時的抗震工況進行仿真分析，驗證其抗震性能。由于支腿式地基所應用的地點不定，因此本文按照高標準要求，對其進行設防烈度為9°的抗震分析。

2.1 模型簡化和網格劃分

根據仿真分析需要，對預制艙及支腿式地基整體進行模型簡化，保留預制艙底座骨架及支腿式地基。簡化掉的重量包括：預制艙內二次平柜24臺，每臺重300 kg，共重7 200 kg；預制艙圍框及頂蓋重5 400 kg；底座簡化掉部分重2 100 kg。

網格劃分是仿真分析重要的準備環節，網格質量直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度。細化網格可以使計算結果更精確，但是會增加CPU計算時間、需要更大的存儲空間。因此，網格劃分時需要權衡計算成本和細化網格之間的矛盾。網格劃分結果如圖4所示。共有185 092個有限元網格單元，有810 207個有限元節點。

2.2 有預應力的模態分析

在模態分析之前，將模型中簡化掉的重量施加于相應部位，對預制艙底座簡化模型進行有預應力的模態分析，以達到和實際工況更加接近的效果。在支腿式地基底部法蘭板添加固定約束，將簡化掉部分的等效重量添加在其實際作用的相應部位，并且施加簡化模型自重。經過模態分析得到預制艙底座前六階振型的固有頻率及振型如表1所示，結構固有振型如圖5所示。

表1 前六階固有頻率和振型

2.3 地震工況仿真分析

基于以上模態分析結果，依據GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》，對預制艙底座及支腿式地基整體進行抗震設防烈度為9°的仿真分析，地面水平加速度為0.4g，地面垂直加速度為水平加速度的65%，標準反應譜曲線如圖6所示[5]。

根據實際情況，同時施加X、Y、Z三個方向的地震反應譜。經過仿真分析得到其應力云圖和變形云圖分別如圖7和圖8所示。

預制艙底座及地基采用的材料的屈服極限為235 MPa，從圖7可以看出，預制艙底座在設防烈度為9°的抗震工況下的最大應力為39.1 MPa，遠小于235 MPa的屈服強度，說明9°抗震工況下預制艙底座不會發生屈服破壞情況[6]。從圖8中可以看出，預制艙底座在地震工況下的最大變形量為1.19 mm，變形量很小，滿足工作要求。

3 結語

針對沼澤、濕地和沿海灘涂等特殊環境需求，設計了預制艙支腿式地基。對預制艙和支腿式預制艙地基整體進行了有預應力的模態分析以及設防烈度為9度的抗地震分析，預制艙底座應力和變形均在允許范圍內。分析結果表明，支腿式預制艙地基可以滿足預制艙工作要求，證明了其設計的合理性和有效性。