輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)研究*

劉亞東

(上海中森建筑與工程設(shè)計顧問有限公司 200333)

引言

箱式變電站是將配電室集中組合到一個箱體內(nèi)部, 以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的配電室, 而箱變基礎(chǔ)就是箱式變電站的基礎(chǔ)。箱式變電站需要放在一個水泥構(gòu)造的底部中空的平臺上面, 電纜自基礎(chǔ)內(nèi)部傳入箱變。傳統(tǒng)的箱變基礎(chǔ)采用“濕法”施工, 即現(xiàn)場澆筑、砌筑, 受季節(jié)氣候、人員等因素影響較大, 土方開挖量大, 施工復(fù)雜程度高[1,2]。如果把箱變基礎(chǔ)改為預(yù)制裝配式基礎(chǔ), 相關(guān)構(gòu)件由生產(chǎn)廠家按通用規(guī)范在工廠內(nèi)生產(chǎn)完畢, 到現(xiàn)場后只需進(jìn)行安裝連接, 則可以降低綜合造價, 縮短建設(shè)周期, 減少維護(hù)投入。

目前裝配式箱變基礎(chǔ)大多采用整體預(yù)制的形式, 即由一塊底板加環(huán)狀墻體拼接而成, 構(gòu)件體量大, 重量重, 不便于生產(chǎn)和運(yùn)輸, 經(jīng)濟(jì)性差。本文研究的輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)是將基礎(chǔ)分解成若干塊輕量化的構(gòu)件, 在工廠制造后運(yùn)至已開挖的基坑就地組裝, 可有效解決生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝的問題。

1 輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)概述

1.1 設(shè)計原則

根據(jù)箱變基礎(chǔ)的實(shí)際條件, 輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)按以下原則進(jìn)行設(shè)計[2]:

(1)滿足安全、穩(wěn)定性和承載要求, 滿足箱式變電站正常使用要求。

(2)基礎(chǔ)組成構(gòu)件重量輕、強(qiáng)度高, 且具有足夠剛度, 滿足運(yùn)輸和施工的要求。

(3)摒棄傳統(tǒng)的土建現(xiàn)場“濕法”施工, 變現(xiàn)場澆筑、砌筑為工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)后, 到現(xiàn)場按標(biāo)準(zhǔn)工藝快速拼裝, 縮短施工周期。凈化施工現(xiàn)場,減少施工期粉塵、噪音、污水污染及水資源消耗。(4)便于加工、減少安裝工作量和安裝誤差,構(gòu)件外形力求簡潔, 構(gòu)造措施簡單。

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)由2 塊預(yù)制底板、4 塊預(yù)制側(cè)墻板、2 塊預(yù)制端墻板及上部4 塊L 型人行板和2 塊直線型人行板組成[3], 每個部件均為平板式預(yù)制構(gòu)件, 以630kV 箱變基礎(chǔ)為例, 構(gòu)件拆分信息如表1 所示, 結(jié)構(gòu)三維爆炸示意如圖1 所示。

表1 630kV 裝配式箱變基礎(chǔ)構(gòu)件信息Tab.1 Components information sheet of 630kV assembly foundation for box-type electric substation

圖1 輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)爆炸示意Fig.1 Explosion diagram of assembly lightweight foundation for box-type electric substation

輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)各預(yù)制板件通過螺栓實(shí)現(xiàn)全干法快速拼接, 其中底板在安裝有側(cè)板及端墻板處外伸插筋, 插筋端部車絲, 其連接原理是帶螺紋的鋼筋穿過墻板中預(yù)埋的連接件,借由墊板、螺帽鎖緊底板與墻板, 連接件在墻體內(nèi)側(cè)開有150mm ×150mm 的安裝手孔, 墻板安裝完成后采用自密實(shí)混凝土進(jìn)行封堵, 連接件的套管灌漿僅考慮對螺栓的保護(hù)作用, 此種連接方式已在裝配式建筑剪力墻的連接中有相關(guān)的研究與應(yīng)用(圖2a)[4,5], 此外底板與墻板接觸面設(shè)置為粗糙面, 底板沿墻板內(nèi)外側(cè)開有凹槽, 嵌入防水膠條后, 坐漿進(jìn)行找平后安裝墻板, 進(jìn)而增加了結(jié)構(gòu)整體性和防水性能。

預(yù)制端墻板與側(cè)墻的連接同樣采用在板件連接處預(yù)埋螺紋套筒實(shí)現(xiàn)螺栓連接(圖2b), 各板件間接縫處均設(shè)有防水膠條, 同時可在接縫處外側(cè)附加一道防水卷材來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的防水效果。

預(yù)制底板、預(yù)制側(cè)墻板的中間拼縫采用一種新型企口搭接節(jié)點(diǎn)(圖2c)[6], 采用連接鋼板通過螺栓連接兩塊預(yù)制板, 上部采用自密實(shí)混凝土封閉找平, 板件的企口及上部鋼板延長了滲水路徑, 有利于提高拼接板縫處的防水能力。

圖2 輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)示意Fig.2 Connection node diagram of assembly lightweight foundation for box-type electric substation

結(jié)構(gòu)上部的L 型人行板與直線型人行板為檢測人員提供操作平臺, 同時可增加產(chǎn)品美觀性,構(gòu)件的連接同樣采用螺栓安裝于墻板上, 此時墻板的吊裝孔可兼作安裝孔, 實(shí)現(xiàn)一孔多用。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)整體受力分析

箱變基礎(chǔ)屬于半地下結(jié)構(gòu), 基底埋深約0.8m,以630kV 箱變基礎(chǔ)為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體受力分析。結(jié)構(gòu)所受荷載除自重外還包括水土壓力P、上部箱變線荷載G, 人行板的均布荷載Q及基地反力F, 如圖3 所示。采用Midas Gen 對其進(jìn)行有限元分析,為充分考慮周圍土對結(jié)構(gòu)的影響, 采用“面彈性支承”中的“彈性連接”模擬土彈簧作用, 特性均為“只受壓”?？紤]板件間均為螺栓連接, 在拼接處對板端約束進(jìn)行釋放, 荷載及約束釋放如圖4 所示。

結(jié)構(gòu)整體受力分析各項結(jié)果云圖見圖5。

圖3 計算簡圖Fig.3 Calculation sketch

圖4 荷載及約束釋放示意Fig.4 Schematic diagram of load and restraint release

圖5 結(jié)構(gòu)整體受力分析結(jié)果Fig.5 Structural force analysis results

由位移云圖可以看出, 結(jié)構(gòu)最大變形為豎向1.37mm, 變形較小, 滿足使用要求。由結(jié)構(gòu)剪力及彎矩云圖可以看出, 結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)平均最大剪力為15.4kN, 最大剪力部位為底板與墻板拼接處, 最大彎矩為10.84kN·m, 出現(xiàn)在底板拼縫處, 根據(jù)分析結(jié)果依據(jù)相關(guān)規(guī)范[7]進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計算, 采用12@250 雙層雙向布置即可滿足使用要求。

2.2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)驗算

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017—2017)中11.4.1 條規(guī)定對結(jié)構(gòu)拼接處的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗算[8], 以底板插筋連接處為例, 其中插筋采用20 鋼筋, 端部車絲。插筋所受的剪力和拉力為從結(jié)構(gòu)整體分析中得出, 計算未考慮拼縫坐漿對抗剪的貢獻(xiàn)。

受剪承載力驗算:

軸向受拉承載力驗算:

同時承受剪力和桿軸方向拉力時, 承載力驗算:

式中:nv為受剪面數(shù)目;d、de為插筋的直徑和有效直徑;為插筋的抗剪和抗拉強(qiáng)度設(shè)計值;Nv、Nt為插筋所承受的剪力和拉力;為插筋的抗剪和抗拉承載力設(shè)計值。

經(jīng)驗算底板與墻板的插筋連接滿足使用要求, 結(jié)構(gòu)其他關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參照上述原則進(jìn)行計算,各項指標(biāo)均可滿足設(shè)計及使用要求。

2.3 結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性驗算

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2011)中5.4.3 條規(guī)定以630kV 箱變基礎(chǔ)為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性驗算[9], 由表1 可知基礎(chǔ)自重Gk為157.2kN。

浮力作用值為:

抗浮驗算:

3 工程應(yīng)用

輕量化裝配式箱變基礎(chǔ)已在多個項目進(jìn)行了工程試點(diǎn)應(yīng)用, 總體施工時間可控制在2 ～3 小時內(nèi), 實(shí)現(xiàn)了“傍晚開槽, 快速安裝, 連夜回土,天明還路”的設(shè)計目標(biāo), 取得了良好的應(yīng)用效果。工廠試拼裝情況如圖6 所示, 現(xiàn)場安裝情況如圖7 所示, 將試點(diǎn)工程應(yīng)用與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土基礎(chǔ)和整體預(yù)制基礎(chǔ)進(jìn)行綜合比較, 對比情況見表2。

圖6 工廠試拼裝情況Fig.6 Factory trial assembly situation

圖7 現(xiàn)場安裝情況Fig.7 Site installation

通過輕量化裝配式箱變基礎(chǔ)與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)和整體預(yù)制基礎(chǔ)的綜合性比較, 可以看出裝配式箱變基礎(chǔ)在構(gòu)件重量、生產(chǎn)運(yùn)輸、施工方式、施工時限、產(chǎn)品成本等方面具有較大優(yōu)勢, 輕量化裝配式箱變基礎(chǔ)的單構(gòu)件重量為整體預(yù)制基礎(chǔ)環(huán)狀墻體的1/6, 施工時限比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)節(jié)約6.5d, 工期大大縮短, 降低了工人的勞動強(qiáng)度, 提高了施工效率。

表2 現(xiàn)場澆筑、整體預(yù)制與輕量化預(yù)制綜合對比Tab.2 Comprehensive comparison of on-site pouring,overall prefabrication and lightweight prefabrication

4 結(jié)語

輕量化預(yù)制裝配式箱變基礎(chǔ)與傳統(tǒng)現(xiàn)澆和砌筑的箱變基礎(chǔ)相比, 在施工周期、產(chǎn)品質(zhì)量、環(huán)境影響等方面均有較大優(yōu)勢, 與整體預(yù)制的箱變基礎(chǔ)相比更便于生產(chǎn)和運(yùn)輸, 可有效節(jié)約成本。輕量化的拆分方式可嘗試應(yīng)用于其他電力部品部件, 如電纜井、環(huán)網(wǎng)柜基礎(chǔ)等, 同時新型的板板連接節(jié)點(diǎn)可借鑒應(yīng)用于其他地下結(jié)構(gòu)、房建、水利等領(lǐng)域。隨著項目的不斷開展和研究的不斷深入, 相信輕量化預(yù)制裝配式基礎(chǔ)將成為今后電力工程的主流發(fā)展趨勢。