模塊化多組合GIS裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法與數(shù)值分析

何宇辰, 朱 燦, 胡子明, 王靜峰,3, 高奔浩

(1.國(guó)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; 3.先進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化協(xié)同創(chuàng)新中心,安徽 合肥 230009)

近年來(lái),我國(guó)不斷加大對(duì)輸變電工程的投入和建設(shè),對(duì)變電站向綠色化模塊化發(fā)展提出了更高要求。裝配式建筑以其工期短、安裝快捷、環(huán)境友好等特點(diǎn)成為變電架構(gòu)及其建筑物新的發(fā)展方向。

氣體絕緣開(kāi)關(guān)(gas insulated switchgear,GIS)設(shè)備廣泛應(yīng)用于戶(hù)外變電站,具有基礎(chǔ)體積大、布置不規(guī)則、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前,GIS設(shè)備基礎(chǔ)多采用支墩筏板基礎(chǔ),其分層澆筑施工周期長(zhǎng),現(xiàn)澆作業(yè)多,面臨著諸如水化熱影響大、易出現(xiàn)裂縫、沉降難以控制等問(wèn)題;相關(guān)基礎(chǔ)研究中,對(duì)模塊化GIS設(shè)備裝配式基礎(chǔ)的研究和應(yīng)用較少。文獻(xiàn)[1]總結(jié)了GIS現(xiàn)澆基礎(chǔ)的主要缺陷,并肯定了GIS裝配式基礎(chǔ)對(duì)于縮短工期、標(biāo)準(zhǔn)化施工的重要意義;文獻(xiàn)[2]總結(jié)了現(xiàn)澆GIS基礎(chǔ)的主要形式,提出一種筏板整體現(xiàn)澆、墩柱預(yù)制裝配式GIS設(shè)備基礎(chǔ),但是該基礎(chǔ)裝配率小,部分采取現(xiàn)澆,模塊化程度低,有待深化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)一種模塊化多組合GIS裝配式基礎(chǔ),并以國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程安徽阜陽(yáng)范興集220 kV變電站為例,驗(yàn)證該方案的可行性。

本文裝配式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案如下:將整塊箱形基礎(chǔ)拆分為單個(gè)模塊化基礎(chǔ)單元;每個(gè)單元由預(yù)制開(kāi)口箱體、預(yù)制疊合板、預(yù)制鋼支座組成;開(kāi)口箱體之間通過(guò)底板和側(cè)墻的螺栓連接擴(kuò)展;疊合板通過(guò)后澆混凝土連接擴(kuò)展;GIS設(shè)備支座在疊合板澆筑前安裝就位。該方案實(shí)現(xiàn)了GIS基礎(chǔ)裝配式施工,可以靈活應(yīng)用到各種布置GIS設(shè)備建設(shè)的工程中。

本文通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析該裝配式基礎(chǔ)的承載力,并將裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)的沉降和應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。

研究成果可為模塊化多組合GIS裝配式基礎(chǔ)應(yīng)用和推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 GIS設(shè)備現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)

1.1 現(xiàn)澆支墩筏板基礎(chǔ)

現(xiàn)行GIS設(shè)備現(xiàn)澆基礎(chǔ)主要采用支墩筏板基礎(chǔ),主要原因如下:GIS設(shè)備對(duì)于基礎(chǔ)不均勻沉降要求嚴(yán)格;不同廠(chǎng)家GIS設(shè)備預(yù)埋件布置位置、方式尚不統(tǒng)一[3],要求基礎(chǔ)形式靈活,布置方式多樣。

(1) 組成及施工。支墩筏板基礎(chǔ)由下部基礎(chǔ)大板和安裝設(shè)備支座的墩柱組成。施工時(shí),按照設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)尺寸,開(kāi)挖基坑;綁扎鋼筋骨架,架設(shè)筏板模板,設(shè)置后澆段;分層澆筑筏板混凝土,拆模養(yǎng)護(hù);在筏板上布置支墩模板,澆筑支柱,拆模養(yǎng)護(hù)。

(2) 性能特點(diǎn)。設(shè)置支墩的方式可以有效減少筏板厚度,與整體筏板基礎(chǔ)相比,混凝土用量較少,自重減少,從而減少地基開(kāi)挖量,降低成本;支墩與筏板分層澆筑可以有效減少水化熱對(duì)基礎(chǔ)變形的影響;筏板基礎(chǔ)的整體剛度好可以減少基礎(chǔ)的不均勻沉降。

(3) 缺點(diǎn)。支墩筏板基礎(chǔ)不能形成一個(gè)完整的基礎(chǔ)平臺(tái),基礎(chǔ)頂面標(biāo)高難以控制;支墩之間需回填土,回填土質(zhì)量難以保證;支墩數(shù)量眾多,尺寸多樣,施工精度難以保證;支模工序繁復(fù),分段施工周期長(zhǎng),水化熱的影響難以完全消除。

1.2 現(xiàn)澆箱形基礎(chǔ)

現(xiàn)澆箱形基礎(chǔ)多用于高層基礎(chǔ),其結(jié)構(gòu)剛度大,所需混凝土量較少,可有效解決水化熱及施工裂縫的問(wèn)題[4]。

(1) 組成及施工。箱形基礎(chǔ)是由頂板、底板和橫縱墻體組成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。施工時(shí),根據(jù)基礎(chǔ)的尺寸開(kāi)挖基坑,澆筑墊層,依次綁扎澆筑底板、橫縱墻體、頂板,拆模養(yǎng)護(hù)。

(2) 性能特點(diǎn)。箱形基礎(chǔ)自重小,剛度大,可有效減少基礎(chǔ)不均勻沉降;基礎(chǔ)水化熱小,施工裂縫影響小;基礎(chǔ)表面形成了一個(gè)完整的安裝平臺(tái),頂面平整度良好。

(3) 缺點(diǎn)。箱形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)施工難度大;施工工序繁瑣,周期長(zhǎng)。

2 模塊化多組合GIS裝配式基礎(chǔ)

2.1 拆分設(shè)計(jì)

本文將傳統(tǒng)支墩筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為箱形基礎(chǔ),根據(jù)箱體橫縱墻體的布置位置將基礎(chǔ)拆分為模塊化盒子單元;每個(gè)單元由基礎(chǔ)底板、頂板及四周側(cè)墻組成,至少與1個(gè)基礎(chǔ)相連。模塊化裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)如圖1所示。

模塊化多組合裝配式基礎(chǔ)有2種尺寸的盒子單元(DY-1、DY-2),DY-1盒子單元尺寸為2 000 mm×2 000 mm×1 750 mm,DY-2盒子單元尺寸為2 500 mm×2 000 mm×1 750 mm。GIS設(shè)備2種基礎(chǔ)拆分尺寸及布置如圖2所示(單位為cm)。

從圖2可以看出,將支墩筏板基礎(chǔ)改為模塊化多組合裝配式基礎(chǔ)后,基礎(chǔ)尺寸及布置無(wú)較大差異。

圖1 模塊化裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)示意圖

2.2 裝配式基礎(chǔ)盒子單元設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)單元頂板和下部開(kāi)口箱體拆分設(shè)計(jì)中,上部采用疊合板,下部采用整體預(yù)制的開(kāi)口箱體。這是由于GIS設(shè)備體積小但布置靈活,如果采用鋼支座預(yù)埋的方式,那么每個(gè)單元需要單獨(dú)設(shè)計(jì),設(shè)備支座的標(biāo)高也難以保障。

下部開(kāi)口箱體由底板和四周側(cè)墻組成,底板預(yù)設(shè)注漿孔、螺栓孔道及手孔,側(cè)墻預(yù)設(shè)螺栓孔道及手孔,開(kāi)口箱體之間通過(guò)底板和側(cè)墻的螺栓連接擴(kuò)展。

DY-1、DY-2盒子單元側(cè)墻厚200 mm,底板厚300 mm,頂板厚250 mm。箱形基礎(chǔ)墻板、底板、頂板均采用直徑20 mm的HRB400雙層配筋,間距為200 mm。

盒子單元單個(gè)側(cè)墻布置7個(gè)螺栓孔道,上部對(duì)稱(chēng)布置4個(gè)8.8級(jí)M20螺栓,下部底板布置3個(gè)8.8級(jí)M28螺栓,側(cè)墻和底板內(nèi)預(yù)設(shè)螺栓手孔長(zhǎng)220 mm、寬200 mm。盒子單元構(gòu)造及配筋如圖4所示(單位為mm)。

圖3 基礎(chǔ)盒子單元示意圖

圖4 盒子單元構(gòu)造及配筋

2.3 裝配式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

裝配式基礎(chǔ)采用箱形基礎(chǔ)的形式,主要的控制荷載為設(shè)備自重,荷載通過(guò)頂板依次傳遞至側(cè)墻、底板、地基,可根據(jù)文獻(xiàn)[5]進(jìn)行局部抗彎計(jì)算、整體抗彎計(jì)算、底板抗剪計(jì)算、底板抗沖切計(jì)算。此外,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中有以下2個(gè)問(wèn)題亟需解決:① 異形基礎(chǔ)地基反力計(jì)算方法;② 螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗彎、抗剪承載力計(jì)算方法。

為此,本文建立基礎(chǔ)整體有限元模型,研究該基礎(chǔ)地基反力分布;建立基礎(chǔ)局部有限元模型,研究基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)受彎、受剪性能。

3 基礎(chǔ)整體分析模型

通過(guò)有限元計(jì)算軟件ABAQUS建立模塊化多組合裝配式基礎(chǔ)有限元模型,進(jìn)行正常使用荷載下基礎(chǔ)沉降和地基反力分析,并與現(xiàn)澆箱形基礎(chǔ)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 模型的建立

3.1.1 本構(gòu)模型及單元選擇

對(duì)于鋼筋,采用HRB400鋼材、兩節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性三維桁架單元(T3D2)、雙折線(xiàn)模型,強(qiáng)化階段的彈性模量值為0。對(duì)于螺栓,采用梁?jiǎn)卧?B31),在螺栓上施加預(yù)緊力150 kN。

對(duì)于混凝土構(gòu)件,采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分的線(xiàn)性六面體單元(C3D8R)模擬其變形特征,其本構(gòu)模型采用文獻(xiàn)[6]附錄C規(guī)定的混凝土本構(gòu)模型。

在本工程中,原廠(chǎng)址上覆土為耕土,基礎(chǔ)開(kāi)挖后回填土為2.3 m,基礎(chǔ)下部為黏土。土壤均采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[7],土壤密度為1 900 kg/m3,彈性模量為45 MPa,泊松比為0.28,黏聚力為45 kPa,摩擦角為14°

3.1.2 接觸關(guān)系

對(duì)于裝配式箱形基礎(chǔ)模型,結(jié)構(gòu)頂板與各開(kāi)口箱體tie約束相互綁定;各開(kāi)口箱體之間采用面面接觸,法向?yàn)橛步佑|,切向?yàn)榱P接觸;土基設(shè)置地應(yīng)力平衡分析步模擬地基歷史沉降,上部回填土不進(jìn)行地應(yīng)力平衡,土基與基礎(chǔ)采用面面接觸,法向?yàn)橛步佑|,切向?yàn)榱P接觸;鋼筋采用embed約束分別嵌入各個(gè)構(gòu)件中?；A(chǔ)整體模型示意圖如圖5所示。

圖5 整體模型示意圖

對(duì)于現(xiàn)澆箱形基礎(chǔ),將基礎(chǔ)箱體之間的面-面接觸改為tie約束相互綁定,模擬構(gòu)件之間的黏結(jié),其余設(shè)置與裝配式基礎(chǔ)相同。

3.1.3 荷載布置

根據(jù)GIS設(shè)備基礎(chǔ)的主要控制荷載,在模型頂部支座處布置設(shè)備荷載60 kN/m2,基礎(chǔ)頂面布置均布荷載15 kN/m2,在土基、基礎(chǔ)施加相應(yīng)重力荷載。

3.2 有限元分析結(jié)果

(1) 基礎(chǔ)地基反力。裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)模型地基反力等值線(xiàn)如圖6所示。

由圖6a可知:模塊化裝配式基礎(chǔ)地基反力最大值主要集中在基礎(chǔ)邊緣,為127 kPa;基礎(chǔ)中部地基反力分布比較均勻;最小值為37.3 kPa。

由圖6b可知,現(xiàn)澆基礎(chǔ)與裝配式基礎(chǔ)的反力極值沒(méi)有較大差異,現(xiàn)澆基礎(chǔ)最大反力為127 kPa,最小反力為37.4 kPa,出現(xiàn)部位與裝配式基礎(chǔ)相同。2種基礎(chǔ)的反力變化趨勢(shì)無(wú)較大差異,現(xiàn)澆基礎(chǔ)地基反力更為均勻,裝配式基礎(chǔ)在盒子單元連接處荷載稍大。

裝配式基礎(chǔ)反力分布狀況良好,呈兩端大、中部小的態(tài)勢(shì),表明基礎(chǔ)在GIS設(shè)備荷載作用下整體性良好,地基反力可等效為均布荷載計(jì)算,但是GIS異形基礎(chǔ)邊緣產(chǎn)生較大的反力集中,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

圖6 裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)模型基底反力等值線(xiàn)

(2) 基礎(chǔ)沉降。裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)模型地基沉降等值線(xiàn)如圖7所示。

從圖7a可以看出,裝配式基礎(chǔ)沉降呈從上至下遞減、左右相互對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì),沉降最大值為-1.73 mm,最小值為-1.03 mm,沉降差為0.70 mm。

從圖7b可以看出,現(xiàn)澆基礎(chǔ)與裝配式基礎(chǔ)的沉降分布沒(méi)有較大差異,現(xiàn)澆基礎(chǔ)最大沉降為1.72 mm,最大沉降差為0.69 mm。

圖7 裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)模型基底沉降等值線(xiàn)

2種基礎(chǔ)中部(5.5 m處)沉降均沿水平方向呈兩端小、中間大的態(tài)勢(shì),該方向沉降差小于0.15 mm,證明裝配式基礎(chǔ)有良好剛度,可有效抵抗不均勻沉降。

4 裝配式基礎(chǔ)局部分析模型

為驗(yàn)證多組合模塊化裝配式箱形基礎(chǔ)在地基反力作用下的承載能力及結(jié)構(gòu)連接性能,通過(guò)ABAQUS程序建立2種連接方式的DY-1盒子單元有限元模型,在基底施加均布荷載,進(jìn)行力學(xué)分析。

4.1 盒子單元模型

4.1.1 本構(gòu)模型和單元選擇

鋼連接件、螺栓、鋼筋均采用簡(jiǎn)化各向同性雙折線(xiàn)模型。墊板及螺栓采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分的線(xiàn)性六面體單元(C3D8R),鋼筋骨架采用兩節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性三維桁架單元(T3D2)。鋼材力學(xué)性能參數(shù)[8]見(jiàn)表1所列。

表1 鋼材力學(xué)性能參數(shù)

混凝土構(gòu)件的單元類(lèi)型、本構(gòu)模型與整體分析模型相同。

4.1.2 接觸關(guān)系及加載模式

本文中的DY-1盒子單元模型2種連接方式為:單邊與其他單元基礎(chǔ)連接(即“單邊連接”)、對(duì)邊與其他單元連接(即“兩邊連接”)。結(jié)構(gòu)頂板與各開(kāi)口箱體、加載板采用tie約束相互綁定;各開(kāi)口箱體與加載板之間采用面面接觸,法向?yàn)橛步佑|,切向?yàn)榱P接觸;在開(kāi)口箱體中布置若干手孔,手孔側(cè)壁與鋼墊板采用tie約束相互綁定;螺栓與墊板、箱體孔洞采用面面接觸,法向?yàn)橛步佑|,切向?yàn)榱P接觸,并且設(shè)置孔洞與螺栓桿的初始間隙模擬螺栓與孔洞的脫離對(duì)連接的影響。鋼筋采用embed約束分別嵌入各個(gè)構(gòu)件中?；A(chǔ)局部分析模型如圖8所示。

圖8 基礎(chǔ)細(xì)部模型示意圖

側(cè)墻螺栓預(yù)緊力為100 kN,底板螺栓預(yù)緊力分別為0、100、150 kN。

在基礎(chǔ)底板施加逐漸增大的均布荷載直至結(jié)構(gòu)破壞。

4.2 有限元分析結(jié)果

4.2.1 兩邊連接的盒子單元

兩邊連接的盒子單元連接節(jié)點(diǎn)處變形主要由剪力控制。

3種螺栓預(yù)緊力下的荷載-位移曲線(xiàn)如圖9所示。

由圖9可知:結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)抗剪性能良好,在3種螺栓預(yù)緊力狀態(tài)下,特征點(diǎn)2始終未產(chǎn)生較大變形,基礎(chǔ)抗剪主要由螺栓的銷(xiāo)栓和頂板承擔(dān);隨著螺栓預(yù)緊力加強(qiáng),基礎(chǔ)的前期抗剪剛度增大,但對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響不大;基礎(chǔ)底面與側(cè)墻接觸處未發(fā)生較大變形,底板的局部承載力應(yīng)按四邊固結(jié)的雙向板計(jì)算;最終破壞狀態(tài)為底板跨中受彎破壞,說(shuō)明該基礎(chǔ)局部抗剪承載能力良好。

圖9 兩邊連接盒子單元3種螺栓預(yù)緊力下的荷載-位移曲線(xiàn)

4.2.2 單邊連接的盒子單元

單邊連接盒子單元變形主要由彎矩控制,連接節(jié)點(diǎn)抗彎性能要弱于結(jié)構(gòu)抗剪性能,3種預(yù)緊力作用下的模塊化基礎(chǔ)單元破壞模式相同:在加載初期,受拉區(qū)變形較小,僅下部底板螺栓受拉,上部側(cè)墻及頂板受壓,墻板螺栓處于結(jié)構(gòu)受壓區(qū);繼續(xù)加荷載,墻板之間的縫隙不斷增大,墻體內(nèi)螺栓隨后參與受拉,受壓區(qū)縮小;荷載繼續(xù)增加,地板兩端螺栓首先達(dá)到屈服,隨后中部螺栓屈服,受拉區(qū)變形加速;最終破壞階段,底板螺栓完全屈服,混凝土頂板下部混凝土受拉開(kāi)裂,上部混凝土受壓破壞。

單邊連接盒子單元3種螺栓預(yù)緊力下的荷載-位移曲線(xiàn)如圖10所示。

由圖10可知:前期曲線(xiàn)平直,連接節(jié)點(diǎn)初始剛度大,隨著荷載不斷加大,曲線(xiàn)斜率不斷增大,節(jié)點(diǎn)剛度減小,曲線(xiàn)拐點(diǎn)主要出現(xiàn)在螺栓屈服前后;提高螺栓預(yù)緊力可以提高初始彎曲剛度,但是螺栓屈服出現(xiàn)更早;在荷載小于0.2 MPa時(shí),基礎(chǔ)變形較小,荷載加大至螺栓屈服后,變形快速展開(kāi)。

單邊連接的模塊化盒子單元在受均布荷載作用下結(jié)構(gòu)初始剛度大,破壞形式明確,設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)荷載應(yīng)小于下部螺栓屈服荷載;螺栓預(yù)緊力可以提高基礎(chǔ)剛度,但是預(yù)緊力不宜過(guò)大;基礎(chǔ)抗剪能力強(qiáng)于抗彎能力,設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)提高螺栓尺寸和數(shù)量來(lái)增強(qiáng)基礎(chǔ)抗彎能力。

5 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計(jì)的多組合模塊化GIS裝配式基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)GIS設(shè)備基礎(chǔ)的快速施工,縮短基礎(chǔ)施工周期;將整體箱形拆分成模塊化盒子單元,頂板疊合板現(xiàn)澆可以適應(yīng)各種布置形式的設(shè)備及各種基礎(chǔ)形狀。

(2) ABAQUS有限元仿真模擬結(jié)果表明:模塊化裝配式基礎(chǔ)剛度良好;地基反力和沉降分布均勻,可依據(jù)等效均布荷載設(shè)計(jì)驗(yàn)算,由于基礎(chǔ)剛度較大,四周地基反力值較大。

(3) 該模塊化多組合GIS裝配式基礎(chǔ)抗剪性能強(qiáng),地基反力較大時(shí),基礎(chǔ)底板首先發(fā)生破壞,基礎(chǔ)底板的局部抗彎承載力應(yīng)按四邊固結(jié)的雙向板計(jì)算;其抗彎性能較優(yōu),連接節(jié)點(diǎn)初始剛度大,但是隨下部螺栓屈服節(jié)點(diǎn)剛度迅速削弱,螺栓預(yù)緊力增大,可提高節(jié)點(diǎn)剛度,但是效果不明顯,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以下部螺栓屈服作為極限荷載,避免不均勻沉降。