電力行業(yè)裝配式基礎研究現(xiàn)狀

李 輝，王小平

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

2012年，國家電網(wǎng)公司全面開展標準配送式智能變電站試點建設，推行“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”，即對變電站內(nèi)建筑物采用通用設計方案，實現(xiàn)變電站的標準化建設。

裝配式基礎具有標準化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝簡單、施工速度快、質(zhì)量高和對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)勢，是我國電力行業(yè)未來發(fā)展的方向。但根據(jù)目前所查資料，電力行業(yè)的裝配式基礎主要在輸電線路鐵塔中得到了應用，而變電站設備和建筑中目前仍然采用的是現(xiàn)澆混凝土基礎，存在工序復雜、工程質(zhì)量良莠不齊、施工周期難以控制和施工場地文明管理難度大的缺點[1，2]。

該文在參考大量相關文獻的基礎上，總結(jié)了電力行業(yè)裝配式基礎特別是輸變電工程裝配式基礎在國內(nèi)外的研究和應用現(xiàn)狀，為未來裝配式基礎的推廣和研究提供參考。

1 國外建筑及電力行業(yè)裝配式基礎研究

榮洋[3]認為目前電力設備裝配式基礎國內(nèi)外開發(fā)、研究和應用最多的主要是用于桿塔結(jié)構(gòu)的裝配式階型(或獨立)基礎。目前傳統(tǒng)GIS設備混凝土筏板基礎存在不足，應探索采用裝配式混凝土基礎。

格魯什曼 M C[4]介紹了前蘇聯(lián)為實現(xiàn)建筑工業(yè)化和降低成本的目的，大力發(fā)展的幾種大體積裝配式基礎：間斷式基礎、砌塊基礎、柵格式基礎。

Vodicka[5]介紹了一種用于橋梁、立交橋的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的裝配式基礎系統(tǒng)，由H型鋼柱、與基礎連接用的柱腳套筒、水平支撐、找平梁和混凝土基礎底板通過焊接組成的基礎系統(tǒng)。

Silber等[6]介紹了一種由多個預制板連接的裝配式塔架基礎，這種基礎可以根據(jù)上部塔架的形狀做成正方形、矩形、圓形、八角形或任意形狀，預制件上預留有螺栓孔，同時底部的預制件上預埋內(nèi)攻絲套筒，兩者通過螺栓連接成為整體。

文獻[7]介紹了一種用于大高度塔架的自穩(wěn)定裝配式基礎，主要由3個預制鋼筋混凝土構(gòu)件使用螺栓連接形成底座，然后和型鋼支架拼裝，最后將兩組相同質(zhì)量的砝碼放置在塔體兩側(cè)型鋼上組成可自穩(wěn)定的裝配式基礎。

Rasmussen等[8]提出了一種由膨脹聚苯乙烯材料制作、用于低層住宅的墻下條形裝配式基礎。這種基礎不僅安裝簡便、施工迅速，且保溫性能優(yōu)良，對地基土溫度的影響較小，可以有效防止地基土凍融造成的基礎沉降開裂。

Yu等[9]提出了一種新型混凝土裝配式基礎系統(tǒng)，由通過螺栓拼接的模塊化肋板組成，這套系統(tǒng)不僅可用于預制混凝土墻板、車庫底板和預制混凝土車道或人行道的基礎，同時兼顧了隔熱功能。

Frey[10]介紹了一種柱下籠式裝配式基礎，這種籠式基礎可以做成方形或者圓形且頂部開口，側(cè)壁進行加固，使用時將柱子插入基礎開口后再澆筑混凝土形成整體。

文獻[11]提出了一種可調(diào)節(jié)的風力渦輪機塔架裝配式基礎，基礎由基座和上部可調(diào)節(jié)的中心容納室組成，中心容納室四周開孔，用于外部電纜的安裝固定。

Neville[12]介紹了一種用于建筑物的模塊化框架基礎，是由多個預制剛性連接件、混凝土基礎底板和頂板、內(nèi)部支撐和基礎墻板在現(xiàn)場組裝成整體。

Ester等[13]從環(huán)境角度對裝配式和現(xiàn)澆基礎進行了全生命周期評估，認為裝配式有如下優(yōu)點：因為生產(chǎn)過程有著更好的監(jiān)管，從而使得預制件的質(zhì)量更有保證；在建筑設計的早期階段使用固定的設計，可以使得成本更低、施工時間更短；采用預制構(gòu)件，避免了現(xiàn)澆混凝土所需的復雜支模過程；現(xiàn)場施工不僅受天氣條件影響較小，而且可以減少現(xiàn)場事故、場地更加干凈整潔、減少廢物和溫室氣體排放。

2 國內(nèi)電力設備和構(gòu)筑物裝配式基礎研究

自2012年國家電網(wǎng)公司推行“標準化設計、工廠化加工、裝配式建設”以來，各地電網(wǎng)公司、高校和研究院所均開展了電力設備和構(gòu)筑物裝配式基礎的研究和應用。

肖向東[1]、梁培新[2]等對我國廣泛應用的110 kV變電站主要構(gòu)筑物，例如圍墻、戶外防火墻、戶外構(gòu)架和單層的生產(chǎn)綜合室等地上構(gòu)筑物開展了裝配式設計和相關建造技術的探索，研究發(fā)現(xiàn)裝配式混凝土柱-鋼梁組合結(jié)構(gòu)能夠完美實現(xiàn)全裝配化施工，并提出了一種新型的預應力壓接式柱腳。

張飛強[14]對鋼結(jié)構(gòu)裝配式變電站的主要建筑物、電纜溝、圍墻及模塊化電氣施工技術進行了探討。在上述研究成果的支撐下，各地電網(wǎng)公司已經(jīng)將這些成果在一批試點工程中成功應用，同時將已經(jīng)制定的一系列規(guī)范110 kV變電站工業(yè)化建設的設計和建造標準進行推廣。

我國國土幅員遼闊，地質(zhì)地貌條件復雜，電能分布區(qū)域差異性大。因此輸電線路常需要穿越在我國廣泛分布的沙漠、高寒凍土地區(qū)，但是這些地區(qū)因地基土性質(zhì)特殊，砂石料和水等建筑材料匱乏而且交通運輸困難，從而使得現(xiàn)場澆筑混凝土的難度增大。而使用裝配式基礎不僅可以避免上述不利因素，而且可以最大限度地減少對特殊地質(zhì)的擾動和對地表植被的破壞，因此裝配式基礎在輸電線路的塔架建設中應用相對更加廣泛、技術更加成熟。

乾增珍等[15]在塔克拉瑪干沙漠對一種由混凝土板條作為底板，上部連接角鋼支架組成的裝配式基礎進行了在下壓+水平力組合作用下的現(xiàn)場足尺試驗；試驗發(fā)現(xiàn)了這種裝配式基礎在荷載工況下的受力變化過程、變形特性和地基土壓力的變化規(guī)律，并得到了這種基礎的極限下壓承載力。

程永鋒等[16]在塔克拉瑪干沙漠對應用于輸電線路的裝配式基礎進行了現(xiàn)場足尺試驗。這種基礎由若干混凝土板條、鋼筋混凝土橫梁及上部角鋼支架組成；試驗監(jiān)測了三組試件分別在上拔和下壓荷載與兩個方向水平荷載組合下的承載變形規(guī)律，得到了該種裝配式基礎在當?shù)赝馏w中的上拔角。

魯先龍等[17]對一種在凍土地區(qū)使用的裝配式擴展基礎的抗壓性能進行了室內(nèi)足尺試驗，該種基礎將整個直柱斜截面擴展基礎進行分塊預制，再通過槽鋼、法蘭盤和預埋錨栓拼接而成；通過對豎向加載過程中各構(gòu)件的位移、地基土壓力和連接件應力的全過程監(jiān)測，獲得了基礎在豎向荷載作用下協(xié)同工作的性能。

乾增珍等[18]在寧夏毛烏素沙漠進行了裝配式偏心基礎的現(xiàn)場試驗研究，考慮了上拔和上拔+水平力組合的兩種荷載工況；通過對加載過程的監(jiān)測以及對基礎底板和沙土地基相互作用的分析，發(fā)現(xiàn)了該種裝配式基礎的抗拔承載機制以及在上拔+水平力的荷載組合作用下極限抗拔承載力更高。

魯先龍等[19]對一種應用于凍土地區(qū)的預制裝配式擴展基礎的抗拔性能進行了室內(nèi)足尺試驗，該種裝配式基礎是將整個直柱斜截面擴展基礎進行分塊預制，再由槽鋼、法蘭盤和預埋錨栓拼接而成；作者研究了在上拔荷載作用下，基礎各構(gòu)件在試驗過程中的變形、應力變化規(guī)律和協(xié)同工作的能力，以及給出了該種基礎的上拔承載力計算公式和上拔角具體數(shù)值。

趙琦等[20]對湖北省境內(nèi)某一受冰災倒塌的直線輸電塔進行抗冰搶險時首次使用的金屬裝配式基礎進行了分析研究，提出了這種基礎的具體施工工藝，并在該線路恢復運行后對基礎進行了連續(xù)、周期性地監(jiān)測，認為基礎的沉降量均滿足規(guī)范要求，輸電塔運行過程安全、穩(wěn)定。

魯先龍等[21]在我國三處典型沙漠地區(qū)對25個擴展基礎進行了上拔和上拔+水平荷載組合工況的現(xiàn)場足尺試驗，其中擴展基礎包括三類現(xiàn)澆混凝土基礎和三類裝配式混凝土基礎，裝配式基礎是由混凝土板條和混凝土橫梁通過螺栓連接組成的基礎底板，再與基礎立柱通過螺栓相連拼接成整體。試驗獲得了這六類基礎的受力變化全過程曲線、確定了各個類型基礎的極限承載力、各沙漠地區(qū)的上拔角和主要影響參數(shù)。

陶亮等[22]對預制混凝土板條、橫梁與支柱組合的裝配式基礎進行了優(yōu)缺點分析，提出了將厚重的混凝土預制件進行積木式拆分后再預制的新型“穿心裝配式基礎”，計算了基礎在上拔或下壓荷載作用下的整體穩(wěn)定性和極限承載力。

徐帥等[23]針對東北地區(qū)特殊的地質(zhì)條件以及近年來輸變電工程持續(xù)增大的電壓等級，設計了一種適用于高水位砂土地基的裝配式空心樁基礎，各環(huán)形預制件先通過高強螺栓豎向連接，再通過坐漿對接形成整體；作者探索了這種裝配式基礎的連接形式和施工方法，并進行了抗傾覆穩(wěn)定計算，驗證了地基的承載力和基礎的抗浮穩(wěn)定性。

查曉雄等[24]提出了一種新型裝配式偏心基礎，基礎除混凝土底板外均由矩形鋼管組成，最后通過焊接形成整體；作者首先利用土重法計算了基礎的極限抗拔承載力，再通過數(shù)值模擬和室內(nèi)縮尺試驗對理論計算進行驗證，并對基礎在上拔和水平力的組合作用下進行了受力和變形的全過程分析。

王健等[25]提出了一種適用于災后快搶快建的配網(wǎng)桿塔裝配式基礎，基礎由鋼結(jié)構(gòu)支架和槽鋼底板組成，施工時通過螺栓將兩部分拼接成整體后再用混凝土進行包封；研究了該種裝配式基礎在不同粘土地基上的極限承載力及其破壞模式，討論了基礎尺寸對承載力的影響。

國內(nèi)研究學者雖然對變電站裝配式基礎的研究較少，但是還是有學者給出了相關的設計思路。陳楊波等[26]提出了一種應用于箱式變電站的裝配式基礎，這種基礎是由柱、圈梁和支撐梁通過鉸鏈組成類框架結(jié)構(gòu)；通過對其穩(wěn)定性和承載力的計算，認為這種基礎是安全可靠的。

賈克音等[27]根據(jù)傳統(tǒng)變電站設備基礎的設計思路，通過將基礎整體合理拆分成若干小型構(gòu)件，再由可靠的連接手段組成裝配式基礎的方式，設計了4種不同的裝配式基礎，詳細介紹了這些基礎的構(gòu)成以及連接方式。

李志明等[28]為解決變電站在更換、擴容等改造時，需要對電力設備進行負荷轉(zhuǎn)移而使用臨時砌塊或混凝土基礎的種種不利因素，提出了一種可以現(xiàn)場快速組裝、重復使用，同時基礎的全壽命周期成本較低的鋼結(jié)構(gòu)裝配式基礎。基礎將整體分解為4個空間桁架，桁架內(nèi)部桿件通過焊接連接，桁架之間使用螺栓連接；使用PKPM軟件對鋼框架進行了驗算，并在無錫供電公司的黃泥頭變電站進行了實際應用。

殷占全等[29]總結(jié)GIS設備基礎設計的優(yōu)缺點,以我國西北某750 kV變電站為依托,對該基礎設計進行優(yōu)化,提出適合工廠化加工或場外預制的設備基礎方案,實現(xiàn)現(xiàn)場組裝的基礎形式,從而減小基礎混凝土開裂。

3 目前電力行業(yè)裝配式基礎常用形式

總結(jié)和分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，國家電網(wǎng)公司雖大力推進裝配式電力產(chǎn)品的研發(fā)與應用，但有關裝配式基礎的研發(fā)卻起步較晚且應用范圍不廣。目前國內(nèi)外發(fā)明、研究和應用最廣、技術最成熟的裝配式基礎主要集中在電力工程的輸電線塔架中，且一般采用的是裝配式擴展基礎，而根據(jù)支架是否偏心分為支柱式和斜柱式擴展基礎。

目前有關電力行業(yè)研究較多的裝配式基礎形式有如下三類：

1)裝配式鋼結(jié)構(gòu)基礎。由若干型鋼或型鋼組成的桁架再通過焊接或螺栓連接成整體。這類基礎的構(gòu)件較輕且制作安裝簡單；但對防銹及防腐的要求較高，僅用在變電站改、擴建時作為臨時基礎使用。

2)裝配式混凝土基礎。將獨立基礎適當拆分成若干預制件，再把預制件通過可靠連接方式組成整體。這類基礎往往是針對某一特定工程設計，常常存在通用性較差、預制件體積和質(zhì)量較大導致運輸費用高以及現(xiàn)場往往不可避免地需要進行混凝土二次澆筑的問題。

3)裝配式鋼結(jié)構(gòu)+混凝土基礎。其設計思路通常是由若干塊混凝土板條組成基礎的底板，再與型鋼支架連接組成整體。這類基礎制作安裝簡便、經(jīng)濟優(yōu)勢明顯且技術比較成熟，已經(jīng)被廣泛使用在輸電線路工程中。

除此之外，還有一些學者針對具體的工程項目研發(fā)出一些特殊的裝配式基礎，例如裝配式箱型基礎、鋼-混凝土組合可調(diào)節(jié)基礎和集成裝配式基礎系統(tǒng)等。

4 結(jié) 論

在電力工程建設中，裝配式基礎的研究和應用均處于萌芽階段，僅在輸變電工程中有一定程度的應用，變電站裝配式基礎研究尚未展開。

目前針對電力工程裝配式基礎研究和應用最為成熟的是輸電線路的裝配式獨立擴展基礎，而有關變電站裝配式基礎的研究思路為：對基礎進行積木式拆分；在預制廠中制作各部分構(gòu)件；運抵現(xiàn)場后進行定位、連接或者混凝土的二次澆筑。這種裝配式混凝土基礎大多是針對某項特定的工程而進行設計、生產(chǎn)，因此存在著通用性差、工業(yè)化生產(chǎn)和標準化程度不高、現(xiàn)場需要混凝土灌漿、預制件尺寸較大易造成運輸困難等弊端，并且尚未在工程中進行應用。