变电站建筑物装配式基础设计与探讨

何宇辰， 胡子明， 李景哲， 高奔浩， 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

自2007年国家电网公司为改进早期变电站架构设计、标准不统一，持续深化、细化有关技术原则和设计要求，推行“两型一化”工程以来，国家电网变电站架构及其配套建筑设施不断向工业化、产业化方向发展。2016年，国务院发布《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》，装配式基础以其施工快捷、安装方便、环境友好的优越性，可以有效缩短变电站设施建造工期，降低生产改造、电力抢险难度，在电力设备建设的应用及性能研究等方面已初见成效[1,2]。

变电站内主要建筑物有主控通信楼、配电装置楼等。作为变电站正常运行的重要部件，与输变电设备相比，装配式基础应用较少。变电站建筑物基础装配化是进一步建成智能变电站的重要一环，可以大大减少现场湿作业，提高结构预制率，甚至实现变电站建设全装配。本文对目前变电站建筑现浇基础主要形式进行整理，并提出基础装配化一般拆分设计思路。

1 变电站建筑物现浇混凝土基础

1.1 变电站建筑物现浇基础现状

变电站建筑物无论是主控楼还是配电装置楼，建筑高度都较低，并且为减短施工周期，上部结构主要采用钢结构。基础形式则以浅基础居多，其中柱下独立基础以其受力明确、形式简单得到广泛应用。变电站建筑物现浇基础设计有以下几个特点。

(1)独立基础在进行基础验算时，上部结构荷载应参照《变电站建筑结构设计技术规程》较一般建筑物进行更改，但基础荷载仍以压弯为主，一般不需进行抗拔验算。

(2)当上部结构为钢结构时，应设置混凝土基础柱与钢柱脚连接，减小柱脚埋置深度，增加地下结构刚度。当外露式柱脚位于地面以下时，应浇筑素混凝土，保护柱脚不被腐蚀。

(3)基础埋置较浅时，基础拉梁宜设计在基础顶面，以平衡不均匀沉降，承担首层墙体荷载；当基础埋置深度较深时，宜设置正负零标高附近，但此时要考虑短柱效应，需参照《建筑结构抗震设计规范》进行验算，并采取相应构造措施[3]。

1.2 变电站建筑物现浇基础缺陷

(1)施工周期长。基础支模，钢筋板扎，基础养护均耗时较长，仅混凝土养护周期就长达28 d，大大延长上部钢结构施工工期。

(3)资源耗费量大。现浇作业对环境影响大，现浇基础不可重复使用，资源损耗远大于预制构件。

2 变电站建筑物装配式混凝土基础组成

柱下独立基础形式简单，连接方式明确，变电站建筑物装配式基础可以参照独立基础形式进行构件设计，变电站建筑物装配式基础应包含以下部件。

(1)独立基础。独立基础形式可采用阶型基础、锥形基础、杯口基础等。当基础较小、埋置深度较浅时，可将柱与基础进行整体预制；当基础埋置较深时，可将基础柱与基础进行拆分；当基础尺寸过大，可将独立基础再进行拆分，拆分方式主要包括上下拆分、水平拆分。但是实际工程中，变电站基础重量一般在10 t左右，无论是吊装还是运输的技术难度都较小，独立基础整体预制经济效应显然更好。

(2)基础柱。当钢筋混凝土柱构件单独预制时，应根据基础形式考虑柱与基础的装配式连接，根据拉梁尺寸和节点形式考虑梁柱的装配式连接，根据柱脚形式考虑钢柱与混凝土柱的装配式连接。

(3)拉梁。由于首层楼面一般不置于基础拉梁上，基础拉梁采用全预制梁。全预制梁较叠合梁避免了现浇作业，可以进一步提高预制率。

3 变电站建筑物装配式混凝土基础拆分设计

变电站建筑物独立基础拆分设计思路为：基础整体预制、基础柱整体预制、基础拉梁整体预制，采用快捷可靠的连接将各预制构件进行连接。

要想实现运用合理、快捷的方式组装变电站建筑物装配式混凝土基础，必须对构件和构件之间的连接进行必要的研究了解，所以构件连接在装配式建筑物的设计和施工中显得尤为重要。

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3.1 基础柱与基础的装配式连接

根据独立基础形式，可以采用传统的杯口基础与柱的连接，也采用套筒灌浆等预制柱的连接方式。

(1)杯口基础与柱的连接。实际工程中，当采用预制混凝土柱时常采用杯口基础。这种连接方式技术较为成熟，但是施工工期较长，立柱精度难以保证，且杯口基础多为现浇，基础预制时显然不必采用这种传统的连接方式。

(2)套筒灌浆连接。预制阶型基础、锥形基础与柱可以采用套筒灌浆连接，如图1所示。套筒灌浆技术在预制柱连接中已运用得较为成熟。基础构件预留插筋，施工时与柱预留灌浆套筒对接，注入灌浆料。套筒灌浆连接可以有效避免现场湿作业，且目前许多学者的研究已表明套筒灌浆连接可以有效传递预制柱中钢筋的应力[4]。

图1 基础与柱的套筒灌浆连接

3.2 基础柱与预制拉梁的连接

全预制梁与柱连接的连接方式主要包括牛腿连接、螺栓连接、焊接连接等，这些连接方式同样可以运用到主控楼装配式梁柱连接中，但需要进行相应的优化。[5]

(1)牛腿连接。如图2所示，梁的支座采用由柱子伸出的明牛腿的连接节点，其承载力大，受力明确。基础梁埋与地下，对美观性与空间要求宽松，明牛腿的连接方式比暗牛腿受力性能更加有利，当基础拉梁布置在阶型基础顶面时，可用基础顶面代替牛腿。但是对于全预制梁需要采用刚性节点，连接梁纵筋时，这种连接方式不适合。

图2 牛腿连接节点

(2)螺栓连接。如图3所示，可以在基础顶面或柱牛腿上预埋锚栓，施工时采用螺栓连接，构件安装简单快捷。但一方面运输安装、时需要注意保护锚栓螺纹；另一方面与牛腿连接相似，无法保证节点刚度。

图3 螺栓连接节点

(3)焊接连接。如图4所示，焊接连接是在梁和柱或基础顶面预埋焊板，安装时将焊板焊接。这种方式可以保证节点刚度，但是需要增加焊接施工作业，同时梁底面和基础顶板的焊接工艺复杂，节点在动力荷载作用下也易于发生脆性破坏。

图4 焊接连接节点

(4)新型螺栓连接。本文提出一种新型的螺栓连接方式，如图5所示，在梁柱上预埋型钢连接件的方式，在安装时将型钢之间螺栓连接，这种连接方式既可以允许铰接，也可采用刚接。既可以保证梁水平连接的可靠，又避免了现场焊接工艺，安装快捷。缺点是对于预制精度要求高，节点的破坏模式也有待研究，施工时仍需浇筑混凝土保护型钢连接件。但是相较于梁柱湿连接的方式，大大缩小了后浇段长度，同时螺栓连接完成后，结构已具有强度，不影响之后的施工步骤。

图5 预埋型钢螺栓连接节点

3.3 基础柱与钢柱脚的连接

可以采用外露柱脚或半包柱脚，采用半包柱脚时，基础混凝土柱与部分型钢柱需要整体预制，加工工艺复杂，但是有效地避免了湿作业；采用外露柱脚时，仅需预埋锚栓，安装工艺与现浇基础柱脚安装差异不大，但是依旧需要浇筑混凝土保护柱脚。

4 变电站建筑物装配式混凝土基础施工

4.1 变电站建筑物基础构件的运输

构件搬运计划在预制结构施工方法中非常重要，所以要认真考虑搬运路径、使用车型、装车方法等。搬运构件用的卡车或拖车，要根据构件的大小、重量、搬运距离、道路状况等选择适当的车型。

4.2 变电站建筑物基础构件的吊装

主控楼装配式混凝土基础的吊装应包含吊装前准备，独立基础吊装就位、柱吊装安装、预制梁的吊装安装等步骤，施工顺序也应是先基础再柱再到梁。相较于上部结构预制构件的吊装，装配式基础的吊装有一些问题值得讨论。

(1)吊环的布置。相较于叠合梁，装配式基础构件的使用后需要截断，同时吊环钢筋接触钢筋骨架时应采用有效防锈措施[5]。

(2)支撑设置。布置在地基上的梁柱支撑要充分考虑到地基沉降的影响，采用相应措施保障支撑稳固可靠。

(3)连接精度。无论是柱套筒灌浆，还是拉梁的螺栓、焊接连接，对施工精度、构件制作精度都要远高于现浇连接和预制构件的湿连接，同时独立基础的不均匀沉降也会影响基础的安装。在实际工程中如何保障连接精度依然值得研究。

5 结论与展望

通过以上对变电站建筑物装配式混凝土基础拆分设计探讨，可见：

(1)变电站建筑物装配式混凝土基础采用柱下独立基础的形式，基础、基础柱、基础拉梁分别预制可以满足很大一部分工程实际情况。

(2)变电站建筑物装配式混凝土基础采用全预制梁，并采用快捷的连接方式符合变电站建筑物基础的特点，并能进一步推进变电站建设装配化进程。

(3)变电站建筑物装配式混凝土基础全预制拉梁,采用传统的螺栓连接、牛腿连接难以保证连接刚度,采用焊接连接对受力性能和施工难度都不利，而新型的连接方式是未来研究的重点。

(4)以往的混凝土结构基础往往采用现浇基础，对于这种建筑高度不高又要求快速施工的变电站建筑物，装配式混凝土基础可以得到很好的应用，但是目前对于装配式混凝土基础的研究较少，对独立基础的装配式连接的开发和性能研究以及根据不同地质条件提出更多不同的装配式混凝土基础形式是今后研究的主要方向。