人字构架预应力装配式基础设计

王 灿， 李景哲， 高奔浩， 胡子明， 王静峰

(1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

变电站构架基础是变电站建设的核心环节之一,现有基础形式多为钢筋混凝土阶梯式独立基础,基础施工多采用现场浇筑的湿作业方式。但随着变电站建设的迅速发展,其对土建工程的施工质量、建设周期、工程投资、节能环保等提出了更高的要求,传统湿作业方式制约了变电站建设的快速发展。另外,电力生产大修、技改工程等项目由于必须满足供电可靠性要求,应尽可能缩短停电时间,故现浇基础更不适用于大修、技改这种对工期要求非常严格的项目。2006年,国家电网公司提出了建设资源节约型、环境友好型、工业化(简称“两型一化”)变电站的要求。预制装配式基础结构受力明确,装配式基础通过模块化,能够实现构件的工厂化预制,不受天气、环境等因素影响,制造速度快,构件质量可靠。同时,能够实现现场装配化施工,工序简单、施工快捷,施工质量可控,特别适用于电力生产大修、电力抢修、技改工程、停电过渡,或气候条件较差、施工期较短的地区,例如北方严寒地带、冬季施工、南方汛期等。因此,装配式结构在变电站建造中有着良好的应用前景。

目前,国内外许多学者已经相继开展了对变电站装配式基础的研究开发。国家电网江苏省电力公司的李志明[1]、浙江电联工程技术有限公司的章立鹰、朗金权、孙有聚[2]、国家电网湖北送变电工程有限公司的赵琦、姚鹏、彭威铭[3]等学者相继研究了便于加工、运输、安装、拆除的装配式基础,并且也将研究成果应用到了抢险工程中,取得良好的经济效果。

本文首先以某220 kV变电站为切入点,使用 MIDAS软件建立其有限元模型,综合考虑荷载实施条件以及进行构架力学分析的荷载效应组合,提取得到不同基础顶面的荷载;在此基础上,综合考虑加工、运输以及施工吊装等因素,确定装配式基础中各个模块的详细参数,包括尺寸和重量等参数;最后,参考混凝土材料摩擦理论、预应力结构相关规范及法兰连接相关规范确定装配式基础的预应力筋布置参数及柱脚连接法兰盘参数。

1 人字构架预应力装配式基础

结合某220 kV变电站的设计资料,建立了如图1所示的MIDAS模型,以固结的边界条件模拟基础部分,提取固结边界支反力用于设计人字构架基础。在整体基础尺寸设计完成的基础上,综合考虑装配式特点,以保证该装配式基础拆分模块在加工、运输、吊装等方面的合理性。

图1 某220 kV变电站构架MIDAS模型图

1.1 装配式基础荷载取值

根据电力规划设计院编写的《变电站建筑结构设计技术规程》的规定,选取运行、安装、检修及地震工况为承载能力极限状态的基本组合,对比各荷载组合工况下固结边界的支反力,分别选取受拉和受压最大值用于整体现浇人字构架基础的设计,见表1。

表1 不同基础顶部受拉和受压最大作用力

1.2 装配式基础拆分方案

基于行业现状,综合考虑加工、运输、吊装、安装和抗冲切因素,装配式基础分块方案应当满足以下要求:

(1) 装配式基础的分块方案,应当以标准化为原则,便于模板的架立和安装,避免异形构件和大量留出钢筋。

(2) 为了保证预制构件的养护水平,提升构件质量,应当考虑大体积混凝土养护内外不均匀的问题,尽量采用小体量的分块方案。

(3) 预制构件的运输是影响构件尺寸的重要因素。通常来说,尽量通过常规的运输方式进场,以降低预制构件的运输成本。

(4) 尽量保证吊装作业的施工高度在地平面以下,以忽略风对吊装的影响。

(5) 装配式基础分块方案中,分块截面位置须与薄弱面位置不重合,以避免破坏基础的抗冲切能力。

根据以上原则,参考张书博[4]等人的设计思路,不同基础的预制构件类型和尺寸如图2所示。

图2 不同基础预制构件类型和尺寸图

2 人字构架预应力装配式基础关键连接参数设计

装配式基础设计能否成功,关键取决于拆分模块间的连接部位的设计成败。对于本装配式基础,关键连接部位为模块间的预应力筋连接和柱脚的法兰盘连接。

2.1 装配式基础预应力筋布置参数

装配式基础在正常使用状态下,预应力与摩擦力是相互关联的,为了建立摩擦力和预应力的平衡关系,从装配式基础J-1剖面图中抽象出YZ-A为例做受力简图,如图3所示。

图3 装配式基础J-1中YZ-A模块受力简图

由 YZ-A 的受力平衡关系可得,预制构件间接触面的摩擦力f与基础底面所受基底反力合力值P相平衡。根据混凝土摩擦理论,可以根据 YZ-A 和 YZ-B 保持相对静止状态所需的最大静摩擦力来反推出装配式基础所需预应力F1的大小,从而设计预应力钢筋锚具组件中的配筋和布置参数。

2.1.1 接触面间所需最大静摩擦力计算

为了简化计算,本文将根据经过深度和宽度修正过的地基土承载能力特征值fa确定拆分模块基础底面所受基底反力的合力值P,并以此确定模块间静摩擦力的上限值。基底反力合力值计算如下:

fa=150+1.6×17.5×(2-0.5)=192KPa

(1)

(2)

2.1.2 根据静摩擦力设计预应力筋参数

根据规范[5],摩擦力与预应力的关系如下式:

f=Fmax=μF1

(3)

式中:μ为在自然状态下混凝土材料表面摩擦系数,取值为0.60。

在正常使用状态下,拆分模块基础底面所受基底压强最大值为192 kPa,此时YZ-A构件所需的预应力F1为520 kN,YZ-1构件所需的预应力F1值为582.4 kN;考虑地震等偶然因素时,假定基底压强瞬时达到500 kPa,此时YZ-A构件所需的预应力F1值为1 354.2 kN,YZ-1构件所需的预应力F1值为1 513.7 kN。

基础拟采用由10根AHM9预应力螺纹钢筋组成的预应力筋锚具组,综合考虑预应力张拉过程中的预应力损失之后,单组预应力筋锚具组件形成的有效预应力合力为432.78 kN。故采用5组预应力筋锚具组件时,产生的预应力合力为2 163.9 kN,所能提供的最大静摩擦力为1 298.34 kN,满足要求,布置图如图4所示。

图4 预应力钢筋锚具布置示意图

2.2 装配式基础柱脚法兰盘连接参数

装配式基础柱脚构造图如5所示,绿色的箱型法兰盘分为上下50 mm的钢板,上部钢板直径为610 mm留有螺栓孔,下部钢板直径为700 mm,上下钢板通过厚度为10 mm的圆筒焊接在一起,内部焊有条形加劲肋防止局部屈曲,箱型法兰盘下部焊接3排3列间距为200 mm,长度为1 000 mm的预埋锚筋,该部分预埋在YZ-A或YZ-1构件中;人字构架斜柱下端焊接有52 mm厚的法兰盘,该法兰盘和预埋箱型法兰盘通过直径为33 mm的法兰盘连接螺栓进行连接。

图5 装配式基础柱脚构造图

针对装配式柱脚,需要对以下两个方面进行验算:

(1)预埋箱型法兰盘焊接锚筋的抗拔验算;

(2)装配式基础柱脚法兰连接螺栓验算。

2.2.1 预埋法兰盘焊接锚筋验算

预埋法兰盘焊接锚筋计算简图如图6所示。

图6 预埋法兰盘焊接锚筋计算简图

根据混凝土规范[5]9.7.4, 受拉直锚筋锚固长度la:

(4)

根据混凝土规范 9.7.4, 受剪直锚筋锚固长度la:

la≥15d=15×33=495 mm

(5)

直锚筋锚固长度la=max{997, 495}=997 mm,则实际锚固长度取1 000 mm,满足要求。

2.2.2 预埋法兰盘连接螺栓验算

本装配式基础柱脚法兰的连接采用的是刚性异形法兰连接,徐嘉毅等[6]通过数值分析方法研究了不同倾斜角θ的刚性异形法兰连接的力学性能,结果表明,刚性异形法兰连接的倾斜角θ对其受力性能并没有造成很大的影响,所以本文的手工验算就不考虑倾斜角的影响,斜柱脚法兰螺栓受力示意图如图7所示。

图7 斜柱脚法兰螺栓受力示意图

(1) 螺栓抗拉验算。本节使用4.6级普通螺栓,螺栓钢材的屈服点σs1=240 MPa,螺栓截面有效截面积为816 mm2,结构安全系数取为1.5,则法兰螺栓许用抗拉承载力:

(6)

本柱脚采用20个法兰螺栓,仅计算轴向抗拔时,螺栓所受拉力为:

(7)

由于N1t≤[N1t],则仅考虑轴向抗拔时,螺栓强度满足要求。

考虑弯矩所产生的螺栓拉力时,假定弯矩所产生的拉力仅由最外侧的一个螺栓承受,该螺栓所产生的的拉力为:

(8)

由于N1t+N2t≤[N1t],则在考虑弯矩、轴力共同作用时,螺栓的抗拉强度依然满足要求。

(2) 螺栓抗剪验算。单个螺栓抗剪承载力为:

(9)

本柱脚采用20个法兰螺栓,所能承受的剪力为:

Nv=137.09×20=2 741.76 kN

(10)

该柱脚剪力设计值仅仅为69.8 kN,则螺栓抗剪也满足要求。

3 结 论

(1) 本文综合考虑了加工、运输、吊装及安装等因素,提出了一种新型预应力连接的装配式基础的拆分方案。

(2) 根据混凝土摩擦理论和工程常用预应力筋资料,通过地基土的最大净反力推算接触面所需的最大摩擦力,从而设计出预应力筋的布置参数,使其能承受正常使用及地震等偶然因素产生的荷载。

(3) 结合混凝土规范,设计了装配式基础的柱脚法兰连接节点,其中包括预埋于基础之内的箱型法兰盘和焊接于柱底的法兰盘,并且进行了正常使用状态下的法兰螺栓的受力验算,结果表明满足要求。