人字構(gòu)架預(yù)應(yīng)力裝配式基礎(chǔ)設(shè)計

王 燦， 李景哲， 高奔浩， 胡子明， 王靜峰

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

變電站構(gòu)架基礎(chǔ)是變電站建設(shè)的核心環(huán)節(jié)之一,現(xiàn)有基礎(chǔ)形式多為鋼筋混凝土階梯式獨(dú)立基礎(chǔ),基礎(chǔ)施工多采用現(xiàn)場澆筑的濕作業(yè)方式。但隨著變電站建設(shè)的迅速發(fā)展,其對土建工程的施工質(zhì)量、建設(shè)周期、工程投資、節(jié)能環(huán)保等提出了更高的要求,傳統(tǒng)濕作業(yè)方式制約了變電站建設(shè)的快速發(fā)展。另外,電力生產(chǎn)大修、技改工程等項(xiàng)目由于必須滿足供電可靠性要求,應(yīng)盡可能縮短停電時間,故現(xiàn)澆基礎(chǔ)更不適用于大修、技改這種對工期要求非常嚴(yán)格的項(xiàng)目。2006年,國家電網(wǎng)公司提出了建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、工業(yè)化(簡稱“兩型一化”)變電站的要求。預(yù)制裝配式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力明確,裝配式基礎(chǔ)通過模塊化,能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件的工廠化預(yù)制,不受天氣、環(huán)境等因素影響,制造速度快,構(gòu)件質(zhì)量可靠。同時,能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場裝配化施工,工序簡單、施工快捷,施工質(zhì)量可控,特別適用于電力生產(chǎn)大修、電力搶修、技改工程、停電過渡,或氣候條件較差、施工期較短的地區(qū),例如北方嚴(yán)寒地帶、冬季施工、南方汛期等。因此,裝配式結(jié)構(gòu)在變電站建造中有著良好的應(yīng)用前景。

目前,國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)相繼開展了對變電站裝配式基礎(chǔ)的研究開發(fā)。國家電網(wǎng)江蘇省電力公司的李志明[1]、浙江電聯(lián)工程技術(shù)有限公司的章立鷹、朗金權(quán)、孫有聚[2]、國家電網(wǎng)湖北送變電工程有限公司的趙琦、姚鵬、彭威銘[3]等學(xué)者相繼研究了便于加工、運(yùn)輸、安裝、拆除的裝配式基礎(chǔ),并且也將研究成果應(yīng)用到了搶險工程中,取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。

本文首先以某220 kV變電站為切入點(diǎn),使用 MIDAS軟件建立其有限元模型,綜合考慮荷載實(shí)施條件以及進(jìn)行構(gòu)架力學(xué)分析的荷載效應(yīng)組合,提取得到不同基礎(chǔ)頂面的荷載;在此基礎(chǔ)上,綜合考慮加工、運(yùn)輸以及施工吊裝等因素,確定裝配式基礎(chǔ)中各個模塊的詳細(xì)參數(shù),包括尺寸和重量等參數(shù);最后,參考混凝土材料摩擦理論、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范及法蘭連接相關(guān)規(guī)范確定裝配式基礎(chǔ)的預(yù)應(yīng)力筋布置參數(shù)及柱腳連接法蘭盤參數(shù)。

1 人字構(gòu)架預(yù)應(yīng)力裝配式基礎(chǔ)

結(jié)合某220 kV變電站的設(shè)計資料,建立了如圖1所示的MIDAS模型,以固結(jié)的邊界條件模擬基礎(chǔ)部分,提取固結(jié)邊界支反力用于設(shè)計人字構(gòu)架基礎(chǔ)。在整體基礎(chǔ)尺寸設(shè)計完成的基礎(chǔ)上,綜合考慮裝配式特點(diǎn),以保證該裝配式基礎(chǔ)拆分模塊在加工、運(yùn)輸、吊裝等方面的合理性。

圖1 某220 kV變電站構(gòu)架MIDAS模型圖

1.1 裝配式基礎(chǔ)荷載取值

根據(jù)電力規(guī)劃設(shè)計院編寫的《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定,選取運(yùn)行、安裝、檢修及地震工況為承載能力極限狀態(tài)的基本組合,對比各荷載組合工況下固結(jié)邊界的支反力,分別選取受拉和受壓最大值用于整體現(xiàn)澆人字構(gòu)架基礎(chǔ)的設(shè)計,見表1。

表1 不同基礎(chǔ)頂部受拉和受壓最大作用力

1.2 裝配式基礎(chǔ)拆分方案

基于行業(yè)現(xiàn)狀,綜合考慮加工、運(yùn)輸、吊裝、安裝和抗沖切因素,裝配式基礎(chǔ)分塊方案應(yīng)當(dāng)滿足以下要求:

(1) 裝配式基礎(chǔ)的分塊方案,應(yīng)當(dāng)以標(biāo)準(zhǔn)化為原則,便于模板的架立和安裝,避免異形構(gòu)件和大量留出鋼筋。

(2) 為了保證預(yù)制構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)水平,提升構(gòu)件質(zhì)量,應(yīng)當(dāng)考慮大體積混凝土養(yǎng)護(hù)內(nèi)外不均勻的問題,盡量采用小體量的分塊方案。

(3) 預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸是影響構(gòu)件尺寸的重要因素。通常來說,盡量通過常規(guī)的運(yùn)輸方式進(jìn)場,以降低預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸成本。

(4) 盡量保證吊裝作業(yè)的施工高度在地平面以下,以忽略風(fēng)對吊裝的影響。

(5) 裝配式基礎(chǔ)分塊方案中,分塊截面位置須與薄弱面位置不重合,以避免破壞基礎(chǔ)的抗沖切能力。

根據(jù)以上原則,參考張書博[4]等人的設(shè)計思路,不同基礎(chǔ)的預(yù)制構(gòu)件類型和尺寸如圖2所示。

圖2 不同基礎(chǔ)預(yù)制構(gòu)件類型和尺寸圖

2 人字構(gòu)架預(yù)應(yīng)力裝配式基礎(chǔ)關(guān)鍵連接參數(shù)設(shè)計

裝配式基礎(chǔ)設(shè)計能否成功,關(guān)鍵取決于拆分模塊間的連接部位的設(shè)計成敗。對于本裝配式基礎(chǔ),關(guān)鍵連接部位為模塊間的預(yù)應(yīng)力筋連接和柱腳的法蘭盤連接。

2.1 裝配式基礎(chǔ)預(yù)應(yīng)力筋布置參數(shù)

裝配式基礎(chǔ)在正常使用狀態(tài)下,預(yù)應(yīng)力與摩擦力是相互關(guān)聯(lián)的,為了建立摩擦力和預(yù)應(yīng)力的平衡關(guān)系,從裝配式基礎(chǔ)J-1剖面圖中抽象出YZ-A為例做受力簡圖,如圖3所示。

圖3 裝配式基礎(chǔ)J-1中YZ-A模塊受力簡圖

由 YZ-A 的受力平衡關(guān)系可得,預(yù)制構(gòu)件間接觸面的摩擦力f與基礎(chǔ)底面所受基底反力合力值P相平衡。根據(jù)混凝土摩擦理論,可以根據(jù) YZ-A 和 YZ-B 保持相對靜止?fàn)顟B(tài)所需的最大靜摩擦力來反推出裝配式基礎(chǔ)所需預(yù)應(yīng)力F1的大小,從而設(shè)計預(yù)應(yīng)力鋼筋錨具組件中的配筋和布置參數(shù)。

2.1.1 接觸面間所需最大靜摩擦力計算

為了簡化計算,本文將根據(jù)經(jīng)過深度和寬度修正過的地基土承載能力特征值fa確定拆分模塊基礎(chǔ)底面所受基底反力的合力值P,并以此確定模塊間靜摩擦力的上限值?；追戳狭χ涤嬎闳缦?

fa=150+1.6×17.5×(2-0.5)=192KPa

(1)

(2)

2.1.2 根據(jù)靜摩擦力設(shè)計預(yù)應(yīng)力筋參數(shù)

根據(jù)規(guī)范[5],摩擦力與預(yù)應(yīng)力的關(guān)系如下式:

f=Fmax=μF1

(3)

式中:μ為在自然狀態(tài)下混凝土材料表面摩擦系數(shù),取值為0.60。

在正常使用狀態(tài)下,拆分模塊基礎(chǔ)底面所受基底壓強(qiáng)最大值為192 kPa,此時YZ-A構(gòu)件所需的預(yù)應(yīng)力F1為520 kN,YZ-1構(gòu)件所需的預(yù)應(yīng)力F1值為582.4 kN;考慮地震等偶然因素時,假定基底壓強(qiáng)瞬時達(dá)到500 kPa,此時YZ-A構(gòu)件所需的預(yù)應(yīng)力F1值為1 354.2 kN,YZ-1構(gòu)件所需的預(yù)應(yīng)力F1值為1 513.7 kN。

基礎(chǔ)擬采用由10根AHM9預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋組成的預(yù)應(yīng)力筋錨具組,綜合考慮預(yù)應(yīng)力張拉過程中的預(yù)應(yīng)力損失之后,單組預(yù)應(yīng)力筋錨具組件形成的有效預(yù)應(yīng)力合力為432.78 kN。故采用5組預(yù)應(yīng)力筋錨具組件時,產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力合力為2 163.9 kN,所能提供的最大靜摩擦力為1 298.34 kN,滿足要求,布置圖如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼筋錨具布置示意圖

2.2 裝配式基礎(chǔ)柱腳法蘭盤連接參數(shù)

裝配式基礎(chǔ)柱腳構(gòu)造圖如5所示,綠色的箱型法蘭盤分為上下50 mm的鋼板,上部鋼板直徑為610 mm留有螺栓孔,下部鋼板直徑為700 mm,上下鋼板通過厚度為10 mm的圓筒焊接在一起,內(nèi)部焊有條形加勁肋防止局部屈曲,箱型法蘭盤下部焊接3排3列間距為200 mm,長度為1 000 mm的預(yù)埋錨筋,該部分預(yù)埋在YZ-A或YZ-1構(gòu)件中;人字構(gòu)架斜柱下端焊接有52 mm厚的法蘭盤,該法蘭盤和預(yù)埋箱型法蘭盤通過直徑為33 mm的法蘭盤連接螺栓進(jìn)行連接。

圖5 裝配式基礎(chǔ)柱腳構(gòu)造圖

針對裝配式柱腳,需要對以下兩個方面進(jìn)行驗(yàn)算:

(1)預(yù)埋箱型法蘭盤焊接錨筋的抗拔驗(yàn)算;

(2)裝配式基礎(chǔ)柱腳法蘭連接螺栓驗(yàn)算。

2.2.1 預(yù)埋法蘭盤焊接錨筋驗(yàn)算

預(yù)埋法蘭盤焊接錨筋計算簡圖如圖6所示。

圖6 預(yù)埋法蘭盤焊接錨筋計算簡圖

根據(jù)混凝土規(guī)范[5]9.7.4, 受拉直錨筋錨固長度la:

(4)

根據(jù)混凝土規(guī)范 9.7.4, 受剪直錨筋錨固長度la:

la≥15d=15×33=495 mm

(5)

直錨筋錨固長度la=max{997, 495}=997 mm,則實(shí)際錨固長度取1 000 mm,滿足要求。

2.2.2 預(yù)埋法蘭盤連接螺栓驗(yàn)算

本裝配式基礎(chǔ)柱腳法蘭的連接采用的是剛性異形法蘭連接,徐嘉毅等[6]通過數(shù)值分析方法研究了不同傾斜角θ的剛性異形法蘭連接的力學(xué)性能,結(jié)果表明,剛性異形法蘭連接的傾斜角θ對其受力性能并沒有造成很大的影響,所以本文的手工驗(yàn)算就不考慮傾斜角的影響,斜柱腳法蘭螺栓受力示意圖如圖7所示。

圖7 斜柱腳法蘭螺栓受力示意圖

(1) 螺栓抗拉驗(yàn)算。本節(jié)使用4.6級普通螺栓,螺栓鋼材的屈服點(diǎn)σs1=240 MPa,螺栓截面有效截面積為816 mm2,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取為1.5,則法蘭螺栓許用抗拉承載力:

(6)

本柱腳采用20個法蘭螺栓,僅計算軸向抗拔時,螺栓所受拉力為:

(7)

由于N1t≤[N1t],則僅考慮軸向抗拔時,螺栓強(qiáng)度滿足要求。

考慮彎矩所產(chǎn)生的螺栓拉力時,假定彎矩所產(chǎn)生的拉力僅由最外側(cè)的一個螺栓承受,該螺栓所產(chǎn)生的的拉力為:

(8)

由于N1t+N2t≤[N1t],則在考慮彎矩、軸力共同作用時,螺栓的抗拉強(qiáng)度依然滿足要求。

(2) 螺栓抗剪驗(yàn)算。單個螺栓抗剪承載力為:

(9)

本柱腳采用20個法蘭螺栓,所能承受的剪力為:

Nv=137.09×20=2 741.76 kN

(10)

該柱腳剪力設(shè)計值僅僅為69.8 kN,則螺栓抗剪也滿足要求。

3 結(jié) 論

(1) 本文綜合考慮了加工、運(yùn)輸、吊裝及安裝等因素,提出了一種新型預(yù)應(yīng)力連接的裝配式基礎(chǔ)的拆分方案。

(2) 根據(jù)混凝土摩擦理論和工程常用預(yù)應(yīng)力筋資料,通過地基土的最大凈反力推算接觸面所需的最大摩擦力,從而設(shè)計出預(yù)應(yīng)力筋的布置參數(shù),使其能承受正常使用及地震等偶然因素產(chǎn)生的荷載。

(3) 結(jié)合混凝土規(guī)范,設(shè)計了裝配式基礎(chǔ)的柱腳法蘭連接節(jié)點(diǎn),其中包括預(yù)埋于基礎(chǔ)之內(nèi)的箱型法蘭盤和焊接于柱底的法蘭盤,并且進(jìn)行了正常使用狀態(tài)下的法蘭螺栓的受力驗(yàn)算,結(jié)果表明滿足要求。