模塊化蜂窩型主變基礎及有限元分析

劉 偉,陳德秋,劉雅倫,王小平,柴 明,李福鑫,程春英,熊思麒

(1.國網湖北省電力有限公司咸寧供電公司,咸寧 437199;2.武漢理工大學土木工程與建筑學院,武漢 430070;3.湖北別一閣鋼結構科技開發有限公司,武漢 430070)

2012年,國家電網公司全面開展標準配送式智能變電站試點建設,推行“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”,即對變電站內建筑物采用通用設計方案,實現變電站的標準化建設[1]。

在各種電壓等級的變電站中,主變壓器(GSU)是主要電氣設備之一,擔負著變換電壓、進行電力傳輸的重要任務,其基礎由伐板、支墩和漏油池等三部分組成。目前主變壓器基礎建設仍采用傳統的現場澆筑方式,標準化程度低,現場濕作業多,材料用量大,施工工期長,施工質量難以控制,且不符合綠色施工的要求。

根據所查文獻,目前變電站裝配式基礎的研發與應用主要集中在GIS(氣體絕緣金屬封閉開關)設備[2-6],有關主變基礎裝配式技術的研究和應用還很少有人涉及。

李陽等[7]提出了一種榫卯結構的裝配式主變基礎,在對其進行模擬計算、確定其合理性后,作者將其應用于山西長治110 kV四家池變電站中,解決了主變基礎快速施工的難題,具有良好的工程及經濟意義。劉超[8]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的模塊化裝配式混凝土基礎。論文基于主變壓器的工藝特點和基礎要求,以110 kV變電站為例,提出模塊化蜂窩型主變基礎,并采用ABAQUS軟件對主變基礎進行了有限元分析。

1 模塊化蜂窩型主變基礎

模塊化蜂窩型主變基礎由裝配式筏板和2個預制支墩現場組裝而成,如圖1所示。

裝配式筏板由若干模塊化蜂窩型預制件現場通過螺栓連接而成。模塊化蜂窩型預制件由混凝土蜂窩肋45°相交形成的蜂窩和底板一體化預制而成。蜂窩型預制件平面尺寸為300 mm的模數,一般為1.2 m×2.4 m、1.2 m×3.0 m,高度根據計算確定,一般為100 mm的倍數,底板厚80 mm、100 mm、120 mm或150 mm。蜂窩肋中心對角線的距離為600 mm, 肋厚度一般為80 mm、100 mm、120 mm和150 mm。蜂窩預制件外圍肋的相交處形成一個平面,其上沿高度開設有4個d0=24的螺栓孔,以方便預制件之間現場采用8.8級高強度螺栓連接。 蜂窩肋采用C80以上高性能混凝土,不配鋼筋。底板則采用C40以上普通混凝土,配置雙層雙向鋼筋。

預制支墩由上翼緣、下翼緣、腹板和加勁板組成,其中下翼緣還開設有預留孔,如圖1所示。預制支墩長3 000 mm,整體高730 mm。上下翼緣寬1 000 mm,厚150 mm。上翼緣頂面根據工藝要求預埋兩塊鋼板,以方便與主變壓器之間的連接。下翼緣每邊設有4個共計8個直徑200 mm的孔洞,每孔中穿設3根帶彎鉤的HRB400、直徑12 mm的鋼筋至蜂窩底,然后采用細石混凝土澆筑。預制支墩采用C40普通混凝土一體化預制而成,上下翼緣和腹板內配置HRB400雙層雙向鋼筋,直徑10 mm以上,間距150 mm以內。

蜂窩型預制件尺寸如圖2所示,底板采用C40普通混凝土,布置HRB400、雙層雙向φ12@150鋼筋,蜂窩肋采用C80高性能混凝土。圖3為110 kV模塊化蜂窩型主變基礎的裝配式筏板,由8個1.2 m×2.4 m的蜂窩型預制件現場通過4個8.8級高強度螺栓連接。

模塊化蜂窩型主變基礎標準化程度高、重量輕,現場螺栓連接,濕作業少,生產安裝方便,施工周期短,在主變基礎中具有較好的應用前景。

2 110 kV主變基礎有限元建模

考慮到110 kV模塊化蜂窩型主變基礎的復雜性,采用ABAQUS軟件,建立包括地基土和兩個預制支墩在內的主變基礎有限元模型,以分析基礎的受力性能。

有限元建模時,混凝土材料均采用塑性損傷模型。蜂窩肋為C80高性能混凝土,參照相關文獻,其彈性模量、泊松比、抗拉強度標準值、抗壓強度標準值分別取42 000 MPa、0.17、6.0 MPa、80.0 MPa。蜂窩底板和預制支墩為C40普通混凝土,其彈性模量、泊松比、抗拉強度標準值、抗壓強度標準值分別取32 500 MPa、0.2、2.39 MPa、40.0 MPa。

8.8級高強度螺栓和HRB400鋼筋均采用理想的彈塑性模型,其屈服強度分別取640 MPa和400 MPa,彈性模量和泊松比分別為200 000 MPa和0.3。土體采用摩爾庫倫模型,密度2.0×10-9t/mm3,壓縮模量為6 MPa,泊松比取0.3,摩擦角為30°,凝聚力屈服應力為0.04 MPa。

蜂窩型預制件和預制支墩均采用三維實體C3D8R模擬,網格尺寸分別為50 mm和80 mm,如圖4所示。螺栓采用B31梁單元模擬,網格尺寸5 mm。為簡化有限元建模,僅考慮蜂窩底板中的鋼筋,鋼筋簡化為T3D2三維桁架單元,網格尺寸5 mm。土體深度10 m,平面尺寸25 m×25 m,采用三維實體C3D8R模擬,網格尺寸500 mm。

蜂窩型預制件、預制支墩及土體之間的法向行為均為硬接觸,切向行為為摩擦接觸。混凝土之間、混凝土與土體之間的摩擦系數分別為0.8和0.5。螺栓、鋼筋的梁單元和桁架元分別內置于兩端或內置于混凝土中。土體側面法向約束,底面固接。在ABAQUS中使用odb導入法進行地應力平衡。

采用ABAQUS中的General,Statics模塊,同時考慮安裝和使用荷載,對110 kV 典型模塊化蜂窩型主變基礎進行了有限元分析。

3 110 kV主變基礎有限元分析結果

該文在進行110 kV模塊化蜂窩型主變基礎有限元分析時,僅考慮了使用階段的荷載工況。

在使用階段,假設設備重力荷載和500 mm厚的土體以均布荷載方式作用于預制支墩表面,并考慮恒載分項系數1.3,其大小經過計算后為:0.227 9 N/mm2。另外,考慮設備與基礎重心有沿預制支墩縱向的300 mm偏心,因而在支墩表面添加了305 760 000 N·mm2的彎矩。

圖5、圖6分別為蜂窩底板混凝土的主拉和主壓應力云圖,圖7、圖8分別為蜂窩肋混凝土的主拉和主壓應力云圖。圖9為主變基礎的沉降圖。從圖中可知:蜂窩底板的最大主拉應力和主壓應力分別為2.054 MPa和1.095 MPa,均位于偏心方向預制支墩的端部,分別小于C40混凝土抗拉強度標準值2.39 MPa和抗壓強度標準值40.0 MPa。蜂窩肋的最大主拉應力和主壓應力分別為3.765 MPa和5.478 MPa,也均位于偏心方向預制支墩的端部,分別小于C80混凝土抗拉強度標準值6.0 MPa和抗壓強度標準值80.0 MPa。

螺栓、鋼筋的Mises應力最大值分別為62.76 MPa和7.064 MPa,小于屈服強度640 MPa和400 MPa,滿足要求。基礎在使用荷載設計值作用下的豎向位移最大值為-21.35 mm,最小值為-13.70 mm,沉降差為7.65 mm。根據DL/ T5457—2012《變電站建筑結構設計技術規程》11.1.2條,主變基礎沉降差容許值為0.003×4 800 mm=14.4 mm,大于7.65 mm,滿足規范要求。

4 結 論

a.模塊化蜂窩型主變基礎標準化程度高、質量輕,預制件現場螺栓連接,生產安裝方便,施工周期短,在變電站的主變基礎中應用前景廣泛。

b.針對110 kV典型主變基礎所進行的有限元分析表明:蜂窩底板、蜂窩肋和預制支墩混凝土的最大主拉應力、主壓應力均小于混凝土相應的標準值,螺栓和鋼筋的最大Mises應力均小于標準值,沉降差也在規范許可范圍內,可以在工程中試用。

c.110 kV典型主變基礎混凝土的最大主拉、主壓應力均位于偏心方向預制支墩的端部。