模块化多组合GIS装配式基础设计方法与数值分析

何宇辰, 朱 灿, 胡子明, 王静峰,3, 高奔浩

(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; 3.先进钢结构技术与产业化协同创新中心,安徽 合肥 230009)

近年来,我国不断加大对输变电工程的投入和建设,对变电站向绿色化模块化发展提出了更高要求。装配式建筑以其工期短、安装快捷、环境友好等特点成为变电架构及其建筑物新的发展方向。

气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)设备广泛应用于户外变电站,具有基础体积大、布置不规则、施工周期长等特点。目前,GIS设备基础多采用支墩筏板基础,其分层浇筑施工周期长,现浇作业多,面临着诸如水化热影响大、易出现裂缝、沉降难以控制等问题;相关基础研究中,对模块化GIS设备装配式基础的研究和应用较少。文献[1]总结了GIS现浇基础的主要缺陷,并肯定了GIS装配式基础对于缩短工期、标准化施工的重要意义;文献[2]总结了现浇GIS基础的主要形式,提出一种筏板整体现浇、墩柱预制装配式GIS设备基础,但是该基础装配率小,部分采取现浇,模块化程度低,有待深化设计。本文设计一种模块化多组合GIS装配式基础,并以国家电网公司输变电工程安徽阜阳范兴集220 kV变电站为例,验证该方案的可行性。

本文装配式基础的设计方案如下:将整块箱形基础拆分为单个模块化基础单元;每个单元由预制开口箱体、预制叠合板、预制钢支座组成;开口箱体之间通过底板和侧墙的螺栓连接扩展;叠合板通过后浇混凝土连接扩展;GIS设备支座在叠合板浇筑前安装就位。该方案实现了GIS基础装配式施工,可以灵活应用到各种布置GIS设备建设的工程中。

本文通过有限元数值模拟分析该装配式基础的承载力,并将装配式基础与现浇基础的沉降和应力进行对比。

研究成果可为模块化多组合GIS装配式基础应用和推广提供科学依据。

1 GIS设备现浇混凝土基础

1.1 现浇支墩筏板基础

现行GIS设备现浇基础主要采用支墩筏板基础,主要原因如下:GIS设备对于基础不均匀沉降要求严格;不同厂家GIS设备预埋件布置位置、方式尚不统一[3],要求基础形式灵活,布置方式多样。

(1) 组成及施工。支墩筏板基础由下部基础大板和安装设备支座的墩柱组成。施工时,按照设计的基础尺寸,开挖基坑;绑扎钢筋骨架,架设筏板模板,设置后浇段;分层浇筑筏板混凝土,拆模养护;在筏板上布置支墩模板,浇筑支柱,拆模养护。

(2) 性能特点。设置支墩的方式可以有效减少筏板厚度,与整体筏板基础相比,混凝土用量较少,自重减少,从而减少地基开挖量,降低成本;支墩与筏板分层浇筑可以有效减少水化热对基础变形的影响;筏板基础的整体刚度好可以减少基础的不均匀沉降。

(3) 缺点。支墩筏板基础不能形成一个完整的基础平台,基础顶面标高难以控制;支墩之间需回填土,回填土质量难以保证;支墩数量众多,尺寸多样,施工精度难以保证;支模工序繁复,分段施工周期长,水化热的影响难以完全消除。

1.2 现浇箱形基础

现浇箱形基础多用于高层基础,其结构刚度大,所需混凝土量较少,可有效解决水化热及施工裂缝的问题[4]。

(1) 组成及施工。箱形基础是由顶板、底板和横纵墙体组成的钢筋混凝土结构。施工时,根据基础的尺寸开挖基坑,浇筑垫层,依次绑扎浇筑底板、横纵墙体、顶板,拆模养护。

(2) 性能特点。箱形基础自重小,刚度大,可有效减少基础不均匀沉降;基础水化热小,施工裂缝影响小;基础表面形成了一个完整的安装平台,顶面平整度良好。

(3) 缺点。箱形基础结构较为复杂,现场施工难度大;施工工序繁琐,周期长。

2 模块化多组合GIS装配式基础

2.1 拆分设计

本文将传统支墩筏板基础设计为箱形基础,根据箱体横纵墙体的布置位置将基础拆分为模块化盒子单元;每个单元由基础底板、顶板及四周侧墙组成,至少与1个基础相连。模块化装配式基础设计如图1所示。

模块化多组合装配式基础有2种尺寸的盒子单元(DY-1、DY-2),DY-1盒子单元尺寸为2 000 mm×2 000 mm×1 750 mm,DY-2盒子单元尺寸为2 500 mm×2 000 mm×1 750 mm。GIS设备2种基础拆分尺寸及布置如图2所示(单位为cm)。

从图2可以看出,将支墩筏板基础改为模块化多组合装配式基础后,基础尺寸及布置无较大差异。

图1 模块化装配式基础设计示意图

2.2 装配式基础盒子单元设计

基础单元顶板和下部开口箱体拆分设计中,上部采用叠合板,下部采用整体预制的开口箱体。这是由于GIS设备体积小但布置灵活,如果采用钢支座预埋的方式,那么每个单元需要单独设计,设备支座的标高也难以保障。

下部开口箱体由底板和四周侧墙组成,底板预设注浆孔、螺栓孔道及手孔,侧墙预设螺栓孔道及手孔,开口箱体之间通过底板和侧墙的螺栓连接扩展。

DY-1、DY-2盒子单元侧墙厚200 mm,底板厚300 mm,顶板厚250 mm。箱形基础墙板、底板、顶板均采用直径20 mm的HRB400双层配筋,间距为200 mm。

盒子单元单个侧墙布置7个螺栓孔道,上部对称布置4个8.8级M20螺栓,下部底板布置3个8.8级M28螺栓,侧墙和底板内预设螺栓手孔长220 mm、宽200 mm。盒子单元构造及配筋如图4所示(单位为mm)。

图3 基础盒子单元示意图

图4 盒子单元构造及配筋

2.3 装配式基础结构受力特点

装配式基础采用箱形基础的形式,主要的控制荷载为设备自重,荷载通过顶板依次传递至侧墙、底板、地基,可根据文献[5]进行局部抗弯计算、整体抗弯计算、底板抗剪计算、底板抗冲切计算。此外,基础设计中有以下2个问题亟需解决:① 异形基础地基反力计算方法;② 螺栓连接节点抗弯、抗剪承载力计算方法。

为此,本文建立基础整体有限元模型,研究该基础地基反力分布;建立基础局部有限元模型,研究基础连接节点受弯、受剪性能。

3 基础整体分析模型

通过有限元计算软件ABAQUS建立模块化多组合装配式基础有限元模型,进行正常使用荷载下基础沉降和地基反力分析,并与现浇箱形基础有限元计算结果进行对比。

3.1 模型的建立

3.1.1 本构模型及单元选择

对于钢筋,采用HRB400钢材、两节点线性三维桁架单元(T3D2)、双折线模型,强化阶段的弹性模量值为0。对于螺栓,采用梁单元(B31),在螺栓上施加预紧力150 kN。

对于混凝土构件,采用八节点减缩积分的线性六面体单元(C3D8R)模拟其变形特征,其本构模型采用文献[6]附录C规定的混凝土本构模型。

在本工程中,原厂址上覆土为耕土,基础开挖后回填土为2.3 m,基础下部为黏土。土壤均采用Mohr-Coulomb本构模型[7],土壤密度为1 900 kg/m3,弹性模量为45 MPa,泊松比为0.28,黏聚力为45 kPa,摩擦角为14°

3.1.2 接触关系

对于装配式箱形基础模型,结构顶板与各开口箱体tie约束相互绑定;各开口箱体之间采用面面接触,法向为硬接触,切向为罚接触;土基设置地应力平衡分析步模拟地基历史沉降,上部回填土不进行地应力平衡,土基与基础采用面面接触,法向为硬接触,切向为罚接触;钢筋采用embed约束分别嵌入各个构件中。基础整体模型示意图如图5所示。

图5 整体模型示意图

对于现浇箱形基础,将基础箱体之间的面-面接触改为tie约束相互绑定,模拟构件之间的黏结,其余设置与装配式基础相同。

3.1.3 荷载布置

根据GIS设备基础的主要控制荷载,在模型顶部支座处布置设备荷载60 kN/m2,基础顶面布置均布荷载15 kN/m2,在土基、基础施加相应重力荷载。

3.2 有限元分析结果

(1) 基础地基反力。装配式基础与现浇基础模型地基反力等值线如图6所示。

由图6a可知:模块化装配式基础地基反力最大值主要集中在基础边缘,为127 kPa;基础中部地基反力分布比较均匀;最小值为37.3 kPa。

由图6b可知,现浇基础与装配式基础的反力极值没有较大差异,现浇基础最大反力为127 kPa,最小反力为37.4 kPa,出现部位与装配式基础相同。2种基础的反力变化趋势无较大差异,现浇基础地基反力更为均匀,装配式基础在盒子单元连接处荷载稍大。

装配式基础反力分布状况良好,呈两端大、中部小的态势,表明基础在GIS设备荷载作用下整体性良好,地基反力可等效为均布荷载计算,但是GIS异形基础边缘产生较大的反力集中,设计时应予以考虑。

图6 装配式基础与现浇基础模型基底反力等值线

(2) 基础沉降。装配式基础与现浇基础模型地基沉降等值线如图7所示。

从图7a可以看出,装配式基础沉降呈从上至下递减、左右相互对称的趋势,沉降最大值为-1.73 mm,最小值为-1.03 mm,沉降差为0.70 mm。

从图7b可以看出,现浇基础与装配式基础的沉降分布没有较大差异,现浇基础最大沉降为1.72 mm,最大沉降差为0.69 mm。

图7 装配式基础与现浇基础模型基底沉降等值线

2种基础中部(5.5 m处)沉降均沿水平方向呈两端小、中间大的态势,该方向沉降差小于0.15 mm,证明装配式基础有良好刚度,可有效抵抗不均匀沉降。

4 装配式基础局部分析模型

为验证多组合模块化装配式箱形基础在地基反力作用下的承载能力及结构连接性能,通过ABAQUS程序建立2种连接方式的DY-1盒子单元有限元模型,在基底施加均布荷载,进行力学分析。

4.1 盒子单元模型

4.1.1 本构模型和单元选择

钢连接件、螺栓、钢筋均采用简化各向同性双折线模型。垫板及螺栓采用八节点减缩积分的线性六面体单元(C3D8R),钢筋骨架采用两节点线性三维桁架单元(T3D2)。钢材力学性能参数[8]见表1所列。

表1 钢材力学性能参数

混凝土构件的单元类型、本构模型与整体分析模型相同。

4.1.2 接触关系及加载模式

本文中的DY-1盒子单元模型2种连接方式为:单边与其他单元基础连接(即“单边连接”)、对边与其他单元连接(即“两边连接”)。结构顶板与各开口箱体、加载板采用tie约束相互绑定;各开口箱体与加载板之间采用面面接触,法向为硬接触,切向为罚接触;在开口箱体中布置若干手孔,手孔侧壁与钢垫板采用tie约束相互绑定;螺栓与垫板、箱体孔洞采用面面接触,法向为硬接触,切向为罚接触,并且设置孔洞与螺栓杆的初始间隙模拟螺栓与孔洞的脱离对连接的影响。钢筋采用embed约束分别嵌入各个构件中。基础局部分析模型如图8所示。

图8 基础细部模型示意图

侧墙螺栓预紧力为100 kN,底板螺栓预紧力分别为0、100、150 kN。

在基础底板施加逐渐增大的均布荷载直至结构破坏。

4.2 有限元分析结果

4.2.1 两边连接的盒子单元

两边连接的盒子单元连接节点处变形主要由剪力控制。

3种螺栓预紧力下的荷载-位移曲线如图9所示。

由图9可知:结构连接节点抗剪性能良好,在3种螺栓预紧力状态下,特征点2始终未产生较大变形,基础抗剪主要由螺栓的销栓和顶板承担;随着螺栓预紧力加强,基础的前期抗剪刚度增大,但对结构变形影响不大;基础底面与侧墙接触处未发生较大变形,底板的局部承载力应按四边固结的双向板计算;最终破坏状态为底板跨中受弯破坏,说明该基础局部抗剪承载能力良好。

图9 两边连接盒子单元3种螺栓预紧力下的荷载-位移曲线

4.2.2 单边连接的盒子单元

单边连接盒子单元变形主要由弯矩控制,连接节点抗弯性能要弱于结构抗剪性能,3种预紧力作用下的模块化基础单元破坏模式相同:在加载初期,受拉区变形较小,仅下部底板螺栓受拉,上部侧墙及顶板受压,墙板螺栓处于结构受压区;继续加荷载,墙板之间的缝隙不断增大,墙体内螺栓随后参与受拉,受压区缩小;荷载继续增加,地板两端螺栓首先达到屈服,随后中部螺栓屈服,受拉区变形加速;最终破坏阶段,底板螺栓完全屈服,混凝土顶板下部混凝土受拉开裂,上部混凝土受压破坏。

单边连接盒子单元3种螺栓预紧力下的荷载-位移曲线如图10所示。

由图10可知:前期曲线平直,连接节点初始刚度大,随着荷载不断加大,曲线斜率不断增大,节点刚度减小,曲线拐点主要出现在螺栓屈服前后;提高螺栓预紧力可以提高初始弯曲刚度,但是螺栓屈服出现更早;在荷载小于0.2 MPa时,基础变形较小,荷载加大至螺栓屈服后,变形快速展开。

单边连接的模块化盒子单元在受均布荷载作用下结构初始刚度大,破坏形式明确,设计时,设计荷载应小于下部螺栓屈服荷载;螺栓预紧力可以提高基础刚度,但是预紧力不宜过大;基础抗剪能力强于抗弯能力,设计时可以通过提高螺栓尺寸和数量来增强基础抗弯能力。

5 结 论

(1) 本文设计的多组合模块化GIS装配式基础可以实现GIS设备基础的快速施工,缩短基础施工周期;将整体箱形拆分成模块化盒子单元,顶板叠合板现浇可以适应各种布置形式的设备及各种基础形状。

(2) ABAQUS有限元仿真模拟结果表明:模块化装配式基础刚度良好;地基反力和沉降分布均匀,可依据等效均布荷载设计验算,由于基础刚度较大,四周地基反力值较大。

(3) 该模块化多组合GIS装配式基础抗剪性能强,地基反力较大时,基础底板首先发生破坏,基础底板的局部抗弯承载力应按四边固结的双向板计算;其抗弯性能较优,连接节点初始刚度大,但是随下部螺栓屈服节点刚度迅速削弱,螺栓预紧力增大,可提高节点刚度,但是效果不明显,设计时应以下部螺栓屈服作为极限荷载,避免不均匀沉降。