装配式变电站主变基础模块化设计方法研究

刘 超， 高奔浩， 李景哲, 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

随着建筑技术的高速发展,预制装配式建筑以其模块化设计,工业化生产和绿色化建造等特点得到了国家和地方的大力推广[1]。早在2006年,国家电网公司便提出了建设“两型一化”变电站(即资源节约型、环境友好型、工业化)的要求[2]。现阶段,国网公司更是大力推进装配式模块化绿色变电站的建设,而预制装配式技术正是这其中极为重要的一环[3]。

目前,装配式建筑在变电站建设中主要应用于预制建筑物的主体结构,围护结构和各类构筑物,如主控楼的建设中采用预制PC结构,变电站的围墙采用预制复合墙板等[4-6]。而变电站土建工程中的设备基础施工环节仍以现浇混凝土施工工艺为主,其典型代表之一就是主变压器(GSU)基础的建设。传统主变设备基础不仅体积大,且施工工期长,施工质量难以控制。传统变电站主变压器基础如图1所示。

图1 主变压器及基础图

采用预制装配式技术可有效解决上述问题,但现有文献和工程案例中鲜有此类报道。因此,本文以“标准化设计、工厂化生产、装配式施工”为设计思路,在确保结构受力合理性的前提下,充分考虑制作、运输、安装等环节的实际工程可行性,设计研究出了一种适用于变电站主变压器基础的模块化装配式结构形式。本文主要介绍了此种结构的设计方案与结构形式,开展了结构配筋和地基承载力的计算研究,分析了该结构的主要特点。

1 模块化设计方案

根据变电站主变压器的传统大体积现浇混凝土基础存在着工程用量多、分层浇筑工期时间长、总体造价高等特点,针对其主要受轴力的荷载类型和受力特点,将模块化基础形式确定为梁柱一体化的框架结构形式。主变压器基础装配式结构示意图如图2所示。

图2 主变压器基础装配式结构示意图

主变压器设备装配式基础共包括四类结构构件:① 地基梁,用于承受上部结构和设备的全部荷载并连同本身重量传递到地基上;② 基础梁,用于承受上部荷载并将荷载传递到地基梁和地基上;③ 预制柱,用于增加基础埋深和基础整体刚度,将上部荷载传递到基础梁上;④ 承台梁,用于增加结构刚度,放置预埋件以支承电器变压器,并将设备荷载传递到预制柱上。

主变基础在竖直方向上主要承受轴向压荷载,而水平方向上几乎不承受剪力和弯矩,针对此受力特点,装配式混凝土基础在垂直方向上不进行拆分,以保障结构整体可靠性,水平方向上在地基梁的中部进行拆分,竖直方向上每2个预埋件、1个承台梁、2个预制柱、1个基础梁和左右两边的地基梁形成一组模块化单元,每4个模块化单元在水平方向上连接形成1个主变设备装配式混凝土基础整体。主变压器设备装配式基础模块化单元图如图3所示。

本文以某实际工程中的220 kV型号SFSZ-240 000/220的电力变压器基础为设计案例,采用传统大体积现浇混凝土设计方案时,基础整体尺寸为:长×宽×高=7 800 mm×4 400 mm×1 800 mm;对其进行模块化设计研究后,各构件的尺寸见表1。

表1 装配式模块构件尺寸表

结合上述图表可知,当采用模块化设计方案后,主变压器混凝土基础的结构传力形式更加清晰,混凝土用量可由148 t降低到52 t,节约混凝土约65%,且施工过程中采用全装配式施工流程,可缩短工期约28 d。

2 结构配筋与地基承载力计算

2.1 结构配筋

本文在开展装配式变电站主变压器模块化基础设计方案研究时,采用强度等级C30的混凝土,fc=14.30 N/mm2,ft=1.43 N/mm2;纵筋强度等级为HRB400,fy=360 N/mm2,fy'=360 N/mm2;箍筋强度等级为HPB300,fy=270 N/mm2。

各构件在进行配筋计算时,其中预制梁构件按照正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力计算;预制柱可采用小偏心受压短柱构件按照正截面受压承载力计算和斜截面承载力计算。各构件的配筋简图如图4所示。

图4 主变压器基础装配式模块化构件配筋图

2.2 地基承载力验算

根据《变电站建筑结构设计技术规定》(DL/T 5457-2012)[7]中11.3.2节对于主变压器基础的规定,当设备正常运行时,主变设备基础验算地基承载力工况按照轴心受压计算;当设备正在安装时,主变设备基础验算地基承载力工况按照偏心受压计算。

主变设备基础设计的工程案例选取的工程设计参照国家电网公司输变电工程通用设计[220kV变电站模块化建设(2017年版)AH-220-A1(10)方案],工程地质、水文和气象条件参照合肥地区情况。其中修正后的地基承载力特征值为fa=150 kPa,基础与覆土的平均容重为20.0 kN/m3,基础埋深为1.50 m,上部电气设备正常运行时总质量为282.1 t,设备安装时质量为179.0t。

当设备正常运行时,在轴心受压工况下,主变设备装配式模块化基础的地基承载力验算如下:

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为底板总反力标准值(相当于荷载效应标准组合)；Nk为电器设备自重标准值；Gk为基础自重标准值；A为基础总底面积；Mxk为基础x方向弯矩标准值;Wx为基础底面x方向抵抗矩;Myk为基础y方向弯矩标准值;Wy为基础底面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为底板净反力设计值(相当于荷载效应基本组合);N为电器设备自重设计值;G为基础自重设计值;Mx为基础x方向弯矩设计值;My为基础y方向弯矩设计值。

在偏心受压工况下,主变设备装配式模块化基础的地基承载力验算如下:

=128.88≤1.4fa=210kPa

(3)

式中:pkmax为变压器安装工况时的底板总反力标准值(相当于荷载效应标准组合);N为安装工况时的自重标准值;G为基础底板上部卵石或覆土的自重标准值;e为基础重心至主变压器安装时设备着力点距离;W为基础底面抵抗矩。

由上述计算结果可知,在两种不同工况下,装配式变电站主变压器模块化基础的地基承载力均能满足《变电站建筑结构设计技术规定》(DL/T 5457-2012)中对于主变压器基础的地基承载力规定要求。

3 结 论

(1) 装配式变电站主变基础采用模块化设计相对于传统大体积现浇混凝土设计方案,可节省混凝土用量约65%,缩短工期约28 d,该方案施工便捷可靠。

(2) 通过配筋计算和地基承载力验算等方法可知,装配式变电站主变基础模块化设计符合现有设计规范要求,满足实际工程地质情况下的地基承载力要求。

(3) 本研究方案可为装配式变电站主变压器设备基础的选型提供设计依据与参考。