变电站建筑物模块化装配式基础设计与数值分析

胡 晨，薛 欢，胡子明，王静峰,3，李景哲

(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.国家装配式建筑产业基地，安徽 合肥 230009)

随着我国经济社会的不断发展,变电站建设开始向绿色化、模块化方向发展。自2007年以来,国家电网公司深化、推行“两型一化”工程[1],装配式建筑工期短、安装快捷、环境友好,得到广泛应用。

目前,装配式基础研究主要集中在输变电架构及电气设备基础[2-4],对于变电站建筑物模块化装配式基础的相关研究较少。文献[5]提出一种新型独立基础,采用有限元模拟验证其可行性,该基础采用水平拆分及预应力钢筋连接;文献[6]对6个采用浆锚连接的装配式基础进行拟动力试验,分析该装配式基础的抗震性能。

上述研究均是针对装配式独立基础,但是在实际工程中,装配式独立基础的模块化施工还要考虑其装配连接方式。本文提出一种新型模块化装配式基础结构形式,该基础可以实现独立基础与基础连梁及上部结构的快速安装,适用于多种独立基础布置形式。本文对1个工程实例进行装配化设计,采用Midas计算软件和ABAQUS有限元分析软件,分析该装配式基础在不同荷载工况下的应力与变形,并与现浇基础比较,验证其合理性。研究成果可为建筑物模块化装配式基础推广应用提供参考。

1 模块化装配式基础与现浇基础介绍

1.1 变电站建筑物传统现浇基础

目前,我国大多数变电站采用现浇混凝土独立基础,其由现浇的独立基础、基础柱、基础梁组成,主要存在以下缺点:浇筑和养护时间长;现场支模,资源消耗量大;变电站建筑物多为钢结构,现浇基础施工对结构进一步装配产生影响。

1.2 模块化装配式基础

本文提出的模块化装配式基础形式如图1所示。该基础由预制独立基础、预制基础柱、预制基础梁及装配式连接节点组成。预制独立基础、预制柱分别如图2、图3所示。

图1 模块化装配式钢筋混凝土基础 图2 预制独立基础 图3 预制柱示意图

(1) 整体预制独立基础。变电站建筑物主要以低层建筑为主,基础形式主要为独立基础且基础面积不大,因此本文采用阶型基础整体预制,在不影响运输和安装的基础上保证基础整体性。该预制基础的标准化参数包括基础高度、底板尺寸及基础阶数,基础预制时要预先布设插筋用于与基础柱连接,还需要考虑构件尺寸对预制、运输、吊装难度的影响。

(2) 预制基础柱。基础的埋置深度会影响独立基础的预制、运输、安装难度,因此本文将基础柱单独预制。该预制柱是指与上部钢结构连接的基础柱。

预制柱要根据基础插筋的布置预设灌浆套筒,要根据基础连梁的位置布置预埋钢连接件,根据钢柱脚的形式布置地锚螺栓。

(3) 预制基础梁。一般装配式建筑梁采用叠合梁,施工时仍保留一定湿作业。柱下独立基础连系梁主要起到支撑墙板、调节基础沉降的作用,一般不需要支撑一层楼板,因此该连系梁采用全预制梁,并在连系梁两端预埋钢连接件。

(4) 装配式连接节点。基础新型梁柱连接示意图如图4所示。

图4 基础新型梁柱连接示意图

该新型梁柱节点在预制梁柱制作时通过锚筋预埋槽钢连接件,安装时将2片槽钢的腹板通过螺栓连接,在连接区域局部用混凝土填实,不影响上部结构施工进度,可实现基础连系梁与柱的快速连接。

2 模块化装配式基础设计

2.1 工程实例概况

本文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,进行装配化设计。该变电站配电装置室结构方案为单层,上部为钢结构,下部为带连系梁的钢筋混凝土独立基础。

配电室建筑高度4.48 m,上部钢架为9 m单跨双坡,榀间距为6 m,厂房长度为54 m,不设置温度区段。场地地震动峰值加速度为0.1g,相当于地震基本烈度7度。设计地震分组为第1组,Ⅱ类场地,抗震设防为乙类,抗震等级为二级。基本风压为0.35 MPa,地面粗糙程度为B类;基本雪压为0.60 MPa。

2.2 基础平面布置与柱脚荷载确定

配电室采用钢筋混凝土独立基础,各独立基础尺寸相同,基础横向间距9 m,纵向间距6 m;独立基础之间布置连梁,基础连梁同时承担上部墙体荷载作用。配电室基础平面布置图如图5所示(单位为mm)。

图5 基础平面布置图

本文通过Midas计算软件,建立模块化变电站钢结构模型,如图6所示。考虑风荷载、地震荷载组合,计算钢结构柱脚反力,其中中柱基础DJ-1、DJ-2相对其他基础受力较大,6种工况下DJ-1、DJ-2基础柱脚荷载分别见表1、表2所列。

图6 配电室上部结构Midas模型

表1 DJ-1基础柱脚荷载

表2 DJ-2基础柱脚荷载

表1、表2中:SGk为结构自重及其他恒荷载效应标准值;SQk为竖向可变荷载效应标准值;SEkx为沿x向地震荷载效应标准值;SEky为沿y向地震荷载效应标准值;SWkx为沿x向风荷载效应标准值;SWky为沿y向风荷载效应标准值。本文依据文献[7],考虑风荷载、地震作用、雪荷载等多种组合,选用6种工况中DJ-1、DJ-2基础柱脚轴力与弯矩取极值的工况作为有限元模拟荷载工况。

2.3预制构件参数确定

2.3.1 基础构件尺寸设计

基础采用2阶独立阶型基础,基础埋深2.6 m,混凝土等级C30,基础底板布置双向间距均为200 mm直径20 mm的钢筋网片,钢筋强度为HRB400。柱截面尺寸为800 mm×800 mm,混凝土等级C30;配置16根直径22 mm的纵向钢筋,强度等级HRB400;箍筋间距100 mm,直径8 mm,强度等级为HPB300。梁截面尺寸为250 mm×700 mm,混凝土等级C30;采用对称配筋,各布置4根直径20 mm纵向钢筋,强度等级HRB400;箍筋间距200 mm,直径8 mm,强度等级为HPB300。

2.3.2 基础连接设计

梁柱节点采用预埋槽钢螺栓连接,槽钢选用40#a,钢材牌号为Q345,螺栓选用M20高强螺栓,螺栓等级8.8s。钢筋锚固长度为800 mm。装配式基础构造及配筋如图7所示。

图7 装配式基础构造及配筋

根据文献[8]中的公式计算锚筋面积As:

(1)

其中:fy为锚筋的抗拉强度设计值,不应大于300 MPa;V为预埋件受剪设计值;N为预埋件法向受拉或法向受压设计值,法向压力设计值不大于0.5fcA,fc为混凝土抗压强度设计值,A为锚板的面积;M为预埋件弯矩设计值;αr为锚筋层数的影响系数;αV为锚筋的受剪承载力系数;αb为锚板的弯曲变形折减系数;z为沿剪力作用方向最外层锚筋中心线之间的距离。

连接节点处板件在拉、剪作用下的强度计算公式[9]为:

(2)

其中:N为作用在板件上的拉力或剪力;Ai为第i段破坏面的截面积,当为螺栓连接时,应取净截面;t为板件厚度;li为第i破坏段长度,应取板件中最危险的破坏段长度;ηi为第i段的拉力或剪力折算系数;αi为第i段破坏线与拉力或剪力轴线的夹角;f为钢材的抗拉或抗剪强度。

3 2种基础的有限元分析

3.1 装配式基础数值分析模型

通过有限元软件ABAQUS建立模块化装配式独立基础的数值分析模型,如图8所示。

图8 装配式基础有限元模型

建立数值分析模型时,采用合理的材料本构关系,考虑材料的非线性、界面接触、边界条件和网格划分多尺度等问题;通过ABAQUS的二次开发接口,将土体定义为“无限元”边界条件,可以真实模拟实际工程中基础-地基土体之间的相互作用,充分考虑土体的沉降和自重应力等因素。

3.1.1 单元类型与本构模型

(1) 钢材本构模型。钢连接件、螺栓、钢筋均采用简化各向同性双折线模型,强化阶段的弹性模量值为0。槽钢、锚筋、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)。钢材力学性能参数见表3所列。

表3 钢材力学性能参数

(2) 混凝土本构模型。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,本构模型采用文献[8]中附录C规定的混凝土本构模型。

(3) 土壤本构模型。在本工程实例中,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,土壤力学性能参数见表4所列。

表4 土壤力学性能参数

3.1.2 接触关系及荷载布置

土基与基础各个构件采用面-面接触,法向为硬接触,切向为罚接触;基础柱与底板采用面-面接触,法向为硬接触,切向为罚接触,柱筋贯通采用embed约束分别置于柱与基础中,模拟套筒灌浆连接;梁柱连接件锚筋采用embed约束嵌入梁柱构件中,连接件与螺栓之间采用面-面接触,螺栓与螺栓孔之间设置初始间隙;连系梁与基础顶采用面-面接触;梁柱的纵筋、箍筋、底板筋采用embed约束分别嵌入各个构件中。

在该模型中，对基础以下土基，采用预设应力场的方式平衡地应力,可模拟地基历史沉降;对回填土不进行地应力平衡,可模拟施工沉降;对螺栓施加100 kN预紧力;将表1中6种工况下柱底反力作用于基础柱顶,并将墙体荷载作用于梁顶。

3.2 现浇基础数值分析模型

现浇基础模型中，各个构件均采用tie约束模拟现浇基础的连接,保障各构件共同作用;外荷载布置方式与装配式基础相同。

3.3 有限元分析结果

3.3.1 地基应力状态

从模型竖向压应力(S33)分布情况看,地基应力状态以压应力为主,基底最大压力出现在工况①。装配式基础基底最大土压力为131 kPa,出现在DJ-1基础边缘;现浇基础基底最大土压力为130 kPa,出现在DJ-1基础边缘。2种基础地基土压应力剖面云图如图9所示。2种基础基底压应力分布情况相差不大,小于设计要求的地基承载力特征值180 kPa。

图9 2种基础地基土压应力剖面云图

2种独立基础基底反力从中心向四周扩大,反力极值出现在基底边缘,中心部位压应力与边缘处相差不大,且未出现基底压力呈马鞍型等应力向中心转移的情况,表明该土基受力状态良好。

3.3.2 柱顶侧向位移

现浇基础与装配式基础在6种工况下柱顶沿横向最大侧移如图10所示。由图10可知:从DJ-1基础看,装配式基础侧向位移量稍大于现浇基础;2种基础侧移均在合理范围内;最大侧移为0.721 mm,出现在工况④。

图10 2种基础6种工况下最大侧移

3.3.3 各构件应力状态

(1) 独立基础、基础梁及基础柱。2种基础6种工况下各构件Mises应力极值见表5所列。

由表5可知:各工况下,独立基础Mises应力均较小;与现浇基础相比,在5种工况下装配式独立基础最大Mises应力有所下降;基础梁与独立基础接触部位应力较为集中,与现浇基础相比,装配式基础梁应力较大;基础柱柱脚处应力较为集中,由于现浇基础梁平衡柱底弯矩效果更好,现浇基础柱最大Mises应力更小。基础梁两端支座处应力水平较大,其中现浇基础在与基础顶面接触处应力水平更大,更为集中,而梁身范围2种基础无较大差异;虽然该装配式基础梁、柱应力水平较大,但是均未超过屈服应力。

表5 2种基础6种工况下各构件Mises应力极值 单位:MPa

(2) 基础顶面应力状态。装配式独立基础与现浇独立基础6种工况下顶面压应力(S33)分布如图11所示。由图11可知:在各工况下,装配式基础与现浇基础的顶面压应力分布没有较大差异,但是装配式基础顶面应力分布较为集中;装配式基础梁支座处,压应力幅值较大,应力较为集中,从而造成基础梁支座处应力更大。

图11 基础顶面压应力分析结果

(3) 槽钢连接节点。数值模拟结果表明,该装配式基础槽钢连接节点在各工况下工作状态良好。以工况① 为例,型钢连接件有限元分析结果如图12所示。

从图12a可以看出:在螺栓孔附近应力水平较大,最大Mises应力为172 MPa,主要是由螺栓预紧力引起;锚筋、垫板未见较大应力集中。从图12b可以看出,槽钢接触面未产生相对滑移。

图12 工况① 连接件有限元分析结果

6种工况下,螺栓工作状态良好,从图12c可以看出,螺栓孔壁内未产生接触压力,接触压力仅在螺栓孔四周分布较大。

3.3.4 基础沉降

基础沿横向关键点坐标如图13所示。6种工况下装配式基础与现浇基础横向上各点竖向沉降变形曲线如图14所示。

图13 基础沿横向关键点坐标

图14 2种基础6种工况下沉降变形曲线

从整体上看,由于偏心荷载作用,各工况下装配式基础与现浇基础沉降分布情况基本相同,沉降极值位于DJ-1基础的四周;装配式基础沉降略小于现浇基础,DJ-1与DJ-2基础沉降量在同一水平。上述结果说明该装配式基础设计方案沉降分布较为均衡;工况① 出现基础沉降极值,这与工况① 以轴力控制为主相符合;最大沉降量达到2.37 mm,满足工程沉降要求。

4 结 论

(1) 本文模块化装配式基础设计方案可以实现变电站建筑物基础的快速施工,各构件单独预制安装的方式可以推广到各种低、多层建筑以及变电站建筑物基础的模块化施工,进一步促进绿色化、模块化变电站建设,有一定的应用价值。

(2) Midas和ABAQUS有限元软件的仿真模拟结果表明,该装配式基础设计方案各构件均未达到屈服条件,其沉降和地基反力与现浇基础无较大差异,新型槽钢连接节点工作状态良好,沉降与变形均达到规范与设计要求。

(3) 该装配式基础与现浇基础相比，梁柱节点刚度较小,可能造成梁支座处及柱身应力水平增大,设计时应采用加大局部配筋等措施保证结构强度。