變電站建筑物模塊化裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與數(shù)值分析

胡 晨，薛 歡，胡子明，王靜峰,3，李景哲

(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.國(guó)家裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地，安徽 合肥 230009)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展,變電站建設(shè)開(kāi)始向綠色化、模塊化方向發(fā)展。自2007年以來(lái),國(guó)家電網(wǎng)公司深化、推行“兩型一化”工程[1],裝配式建筑工期短、安裝快捷、環(huán)境友好,得到廣泛應(yīng)用。

目前,裝配式基礎(chǔ)研究主要集中在輸變電架構(gòu)及電氣設(shè)備基礎(chǔ)[2-4],對(duì)于變電站建筑物模塊化裝配式基礎(chǔ)的相關(guān)研究較少。文獻(xiàn)[5]提出一種新型獨(dú)立基礎(chǔ),采用有限元模擬驗(yàn)證其可行性,該基礎(chǔ)采用水平拆分及預(yù)應(yīng)力鋼筋連接;文獻(xiàn)[6]對(duì)6個(gè)采用漿錨連接的裝配式基礎(chǔ)進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn),分析該裝配式基礎(chǔ)的抗震性能。

上述研究均是針對(duì)裝配式獨(dú)立基礎(chǔ),但是在實(shí)際工程中,裝配式獨(dú)立基礎(chǔ)的模塊化施工還要考慮其裝配連接方式。本文提出一種新型模塊化裝配式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式,該基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立基礎(chǔ)與基礎(chǔ)連梁及上部結(jié)構(gòu)的快速安裝,適用于多種獨(dú)立基礎(chǔ)布置形式。本文對(duì)1個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行裝配化設(shè)計(jì),采用Midas計(jì)算軟件和ABAQUS有限元分析軟件,分析該裝配式基礎(chǔ)在不同荷載工況下的應(yīng)力與變形,并與現(xiàn)澆基礎(chǔ)比較,驗(yàn)證其合理性。研究成果可為建筑物模塊化裝配式基礎(chǔ)推廣應(yīng)用提供參考。

1 模塊化裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)介紹

1.1 變電站建筑物傳統(tǒng)現(xiàn)澆基礎(chǔ)

目前,我國(guó)大多數(shù)變電站采用現(xiàn)澆混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),其由現(xiàn)澆的獨(dú)立基礎(chǔ)、基礎(chǔ)柱、基礎(chǔ)梁組成,主要存在以下缺點(diǎn):澆筑和養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng);現(xiàn)場(chǎng)支模,資源消耗量大;變電站建筑物多為鋼結(jié)構(gòu),現(xiàn)澆基礎(chǔ)施工對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步裝配產(chǎn)生影響。

1.2 模塊化裝配式基礎(chǔ)

本文提出的模塊化裝配式基礎(chǔ)形式如圖1所示。該基礎(chǔ)由預(yù)制獨(dú)立基礎(chǔ)、預(yù)制基礎(chǔ)柱、預(yù)制基礎(chǔ)梁及裝配式連接節(jié)點(diǎn)組成。預(yù)制獨(dú)立基礎(chǔ)、預(yù)制柱分別如圖2、圖3所示。

圖1 模塊化裝配式鋼筋混凝土基礎(chǔ) 圖2 預(yù)制獨(dú)立基礎(chǔ) 圖3 預(yù)制柱示意圖

(1) 整體預(yù)制獨(dú)立基礎(chǔ)。變電站建筑物主要以低層建筑為主,基礎(chǔ)形式主要為獨(dú)立基礎(chǔ)且基礎(chǔ)面積不大,因此本文采用階型基礎(chǔ)整體預(yù)制,在不影響運(yùn)輸和安裝的基礎(chǔ)上保證基礎(chǔ)整體性。該預(yù)制基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)包括基礎(chǔ)高度、底板尺寸及基礎(chǔ)階數(shù),基礎(chǔ)預(yù)制時(shí)要預(yù)先布設(shè)插筋用于與基礎(chǔ)柱連接,還需要考慮構(gòu)件尺寸對(duì)預(yù)制、運(yùn)輸、吊裝難度的影響。

(2) 預(yù)制基礎(chǔ)柱?；A(chǔ)的埋置深度會(huì)影響?yīng)毩⒒A(chǔ)的預(yù)制、運(yùn)輸、安裝難度,因此本文將基礎(chǔ)柱單獨(dú)預(yù)制。該預(yù)制柱是指與上部鋼結(jié)構(gòu)連接的基礎(chǔ)柱。

預(yù)制柱要根據(jù)基礎(chǔ)插筋的布置預(yù)設(shè)灌漿套筒,要根據(jù)基礎(chǔ)連梁的位置布置預(yù)埋鋼連接件,根據(jù)鋼柱腳的形式布置地錨螺栓。

(3) 預(yù)制基礎(chǔ)梁。一般裝配式建筑梁采用疊合梁,施工時(shí)仍保留一定濕作業(yè)。柱下獨(dú)立基礎(chǔ)連系梁主要起到支撐墻板、調(diào)節(jié)基礎(chǔ)沉降的作用,一般不需要支撐一層樓板,因此該連系梁采用全預(yù)制梁,并在連系梁兩端預(yù)埋鋼連接件。

(4) 裝配式連接節(jié)點(diǎn)?；A(chǔ)新型梁柱連接示意圖如圖4所示。

圖4 基礎(chǔ)新型梁柱連接示意圖

該新型梁柱節(jié)點(diǎn)在預(yù)制梁柱制作時(shí)通過(guò)錨筋預(yù)埋槽鋼連接件,安裝時(shí)將2片槽鋼的腹板通過(guò)螺栓連接,在連接區(qū)域局部用混凝土填實(shí),不影響上部結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度,可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)連系梁與柱的快速連接。

2 模塊化裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 工程實(shí)例概況

本文以國(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,進(jìn)行裝配化設(shè)計(jì)。該變電站配電裝置室結(jié)構(gòu)方案為單層,上部為鋼結(jié)構(gòu),下部為帶連系梁的鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。

配電室建筑高度4.48 m,上部鋼架為9 m單跨雙坡,榀間距為6 m,廠房長(zhǎng)度為54 m,不設(shè)置溫度區(qū)段。場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.1g,相當(dāng)于地震基本烈度7度。設(shè)計(jì)地震分組為第1組,Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地,抗震設(shè)防為乙類(lèi),抗震等級(jí)為二級(jí)?；撅L(fēng)壓為0.35 MPa,地面粗糙程度為B類(lèi);基本雪壓為0.60 MPa。

2.2 基礎(chǔ)平面布置與柱腳荷載確定

配電室采用鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),各獨(dú)立基礎(chǔ)尺寸相同,基礎(chǔ)橫向間距9 m,縱向間距6 m;獨(dú)立基礎(chǔ)之間布置連梁,基礎(chǔ)連梁同時(shí)承擔(dān)上部墻體荷載作用。配電室基礎(chǔ)平面布置圖如圖5所示(單位為mm)。

圖5 基礎(chǔ)平面布置圖

本文通過(guò)Midas計(jì)算軟件,建立模塊化變電站鋼結(jié)構(gòu)模型,如圖6所示?？紤]風(fēng)荷載、地震荷載組合,計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)柱腳反力,其中中柱基礎(chǔ)DJ-1、DJ-2相對(duì)其他基礎(chǔ)受力較大,6種工況下DJ-1、DJ-2基礎(chǔ)柱腳荷載分別見(jiàn)表1、表2所列。

圖6 配電室上部結(jié)構(gòu)Midas模型

表1 DJ-1基礎(chǔ)柱腳荷載

表2 DJ-2基礎(chǔ)柱腳荷載

表1、表2中:SGk為結(jié)構(gòu)自重及其他恒荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;SQk為豎向可變荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;SEkx為沿x向地震荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;SEky為沿y向地震荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;SWkx為沿x向風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;SWky為沿y向風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值。本文依據(jù)文獻(xiàn)[7],考慮風(fēng)荷載、地震作用、雪荷載等多種組合,選用6種工況中DJ-1、DJ-2基礎(chǔ)柱腳軸力與彎矩取極值的工況作為有限元模擬荷載工況。

2.3預(yù)制構(gòu)件參數(shù)確定

2.3.1 基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)采用2階獨(dú)立階型基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深2.6 m,混凝土等級(jí)C30,基礎(chǔ)底板布置雙向間距均為200 mm直徑20 mm的鋼筋網(wǎng)片,鋼筋強(qiáng)度為HRB400。柱截面尺寸為800 mm×800 mm,混凝土等級(jí)C30;配置16根直徑22 mm的縱向鋼筋,強(qiáng)度等級(jí)HRB400;箍筋間距100 mm,直徑8 mm,強(qiáng)度等級(jí)為HPB300。梁截面尺寸為250 mm×700 mm,混凝土等級(jí)C30;采用對(duì)稱(chēng)配筋,各布置4根直徑20 mm縱向鋼筋,強(qiáng)度等級(jí)HRB400;箍筋間距200 mm,直徑8 mm,強(qiáng)度等級(jí)為HPB300。

2.3.2 基礎(chǔ)連接設(shè)計(jì)

梁柱節(jié)點(diǎn)采用預(yù)埋槽鋼螺栓連接,槽鋼選用40#a,鋼材牌號(hào)為Q345,螺栓選用M20高強(qiáng)螺栓,螺栓等級(jí)8.8s。鋼筋錨固長(zhǎng)度為800 mm。裝配式基礎(chǔ)構(gòu)造及配筋如圖7所示。

圖7 裝配式基礎(chǔ)構(gòu)造及配筋

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的公式計(jì)算錨筋面積As:

(1)

其中:fy為錨筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,不應(yīng)大于300 MPa;V為預(yù)埋件受剪設(shè)計(jì)值;N為預(yù)埋件法向受拉或法向受壓設(shè)計(jì)值,法向壓力設(shè)計(jì)值不大于0.5fcA,fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,A為錨板的面積;M為預(yù)埋件彎矩設(shè)計(jì)值;αr為錨筋層數(shù)的影響系數(shù);αV為錨筋的受剪承載力系數(shù);αb為錨板的彎曲變形折減系數(shù);z為沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間的距離。

連接節(jié)點(diǎn)處板件在拉、剪作用下的強(qiáng)度計(jì)算公式[9]為:

(2)

其中:N為作用在板件上的拉力或剪力;Ai為第i段破壞面的截面積,當(dāng)為螺栓連接時(shí),應(yīng)取凈截面;t為板件厚度;li為第i破壞段長(zhǎng)度,應(yīng)取板件中最危險(xiǎn)的破壞段長(zhǎng)度;ηi為第i段的拉力或剪力折算系數(shù);αi為第i段破壞線與拉力或剪力軸線的夾角;f為鋼材的抗拉或抗剪強(qiáng)度。

3 2種基礎(chǔ)的有限元分析

3.1 裝配式基礎(chǔ)數(shù)值分析模型

通過(guò)有限元軟件ABAQUS建立模塊化裝配式獨(dú)立基礎(chǔ)的數(shù)值分析模型,如圖8所示。

圖8 裝配式基礎(chǔ)有限元模型

建立數(shù)值分析模型時(shí),采用合理的材料本構(gòu)關(guān)系,考慮材料的非線性、界面接觸、邊界條件和網(wǎng)格劃分多尺度等問(wèn)題;通過(guò)ABAQUS的二次開(kāi)發(fā)接口,將土體定義為“無(wú)限元”邊界條件,可以真實(shí)模擬實(shí)際工程中基礎(chǔ)-地基土體之間的相互作用,充分考慮土體的沉降和自重應(yīng)力等因素。

3.1.1 單元類(lèi)型與本構(gòu)模型

(1) 鋼材本構(gòu)模型。鋼連接件、螺栓、鋼筋均采用簡(jiǎn)化各向同性雙折線模型,強(qiáng)化階段的彈性模量值為0。槽鋼、錨筋、墊板及螺栓采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分的線性六面體單元(C3D8R),鋼筋骨架采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元(T3D2)。鋼材力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3所列。

表3 鋼材力學(xué)性能參數(shù)

(2) 混凝土本構(gòu)模型?；炷翗?gòu)件采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分的線性六面體單元(C3D8R)模擬其變形特征,本構(gòu)模型采用文獻(xiàn)[8]中附錄C規(guī)定的混凝土本構(gòu)模型。

(3) 土壤本構(gòu)模型。在本工程實(shí)例中,原廠址上覆土為耕土,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,土壤力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表4所列。

表4 土壤力學(xué)性能參數(shù)

3.1.2 接觸關(guān)系及荷載布置

土基與基礎(chǔ)各個(gè)構(gòu)件采用面-面接觸,法向?yàn)橛步佑|,切向?yàn)榱P接觸;基礎(chǔ)柱與底板采用面-面接觸,法向?yàn)橛步佑|,切向?yàn)榱P接觸,柱筋貫通采用embed約束分別置于柱與基礎(chǔ)中,模擬套筒灌漿連接;梁柱連接件錨筋采用embed約束嵌入梁柱構(gòu)件中,連接件與螺栓之間采用面-面接觸,螺栓與螺栓孔之間設(shè)置初始間隙;連系梁與基礎(chǔ)頂采用面-面接觸;梁柱的縱筋、箍筋、底板筋采用embed約束分別嵌入各個(gè)構(gòu)件中。

在該模型中，對(duì)基礎(chǔ)以下土基，采用預(yù)設(shè)應(yīng)力場(chǎng)的方式平衡地應(yīng)力,可模擬地基歷史沉降;對(duì)回填土不進(jìn)行地應(yīng)力平衡,可模擬施工沉降;對(duì)螺栓施加100 kN預(yù)緊力;將表1中6種工況下柱底反力作用于基礎(chǔ)柱頂,并將墻體荷載作用于梁頂。

3.2 現(xiàn)澆基礎(chǔ)數(shù)值分析模型

現(xiàn)澆基礎(chǔ)模型中，各個(gè)構(gòu)件均采用tie約束模擬現(xiàn)澆基礎(chǔ)的連接,保障各構(gòu)件共同作用;外荷載布置方式與裝配式基礎(chǔ)相同。

3.3 有限元分析結(jié)果

3.3.1 地基應(yīng)力狀態(tài)

從模型豎向壓應(yīng)力(S33)分布情況看,地基應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主,基底最大壓力出現(xiàn)在工況①。裝配式基礎(chǔ)基底最大土壓力為131 kPa,出現(xiàn)在DJ-1基礎(chǔ)邊緣;現(xiàn)澆基礎(chǔ)基底最大土壓力為130 kPa,出現(xiàn)在DJ-1基礎(chǔ)邊緣。2種基礎(chǔ)地基土壓應(yīng)力剖面云圖如圖9所示。2種基礎(chǔ)基底壓應(yīng)力分布情況相差不大,小于設(shè)計(jì)要求的地基承載力特征值180 kPa。

圖9 2種基礎(chǔ)地基土壓應(yīng)力剖面云圖

2種獨(dú)立基礎(chǔ)基底反力從中心向四周擴(kuò)大,反力極值出現(xiàn)在基底邊緣,中心部位壓應(yīng)力與邊緣處相差不大,且未出現(xiàn)基底壓力呈馬鞍型等應(yīng)力向中心轉(zhuǎn)移的情況,表明該土基受力狀態(tài)良好。

3.3.2 柱頂側(cè)向位移

現(xiàn)澆基礎(chǔ)與裝配式基礎(chǔ)在6種工況下柱頂沿橫向最大側(cè)移如圖10所示。由圖10可知:從DJ-1基礎(chǔ)看,裝配式基礎(chǔ)側(cè)向位移量稍大于現(xiàn)澆基礎(chǔ);2種基礎(chǔ)側(cè)移均在合理范圍內(nèi);最大側(cè)移為0.721 mm,出現(xiàn)在工況④。

圖10 2種基礎(chǔ)6種工況下最大側(cè)移

3.3.3 各構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)

(1) 獨(dú)立基礎(chǔ)、基礎(chǔ)梁及基礎(chǔ)柱。2種基礎(chǔ)6種工況下各構(gòu)件Mises應(yīng)力極值見(jiàn)表5所列。

由表5可知:各工況下,獨(dú)立基礎(chǔ)Mises應(yīng)力均較小;與現(xiàn)澆基礎(chǔ)相比,在5種工況下裝配式獨(dú)立基礎(chǔ)最大Mises應(yīng)力有所下降;基礎(chǔ)梁與獨(dú)立基礎(chǔ)接觸部位應(yīng)力較為集中,與現(xiàn)澆基礎(chǔ)相比,裝配式基礎(chǔ)梁應(yīng)力較大;基礎(chǔ)柱柱腳處應(yīng)力較為集中,由于現(xiàn)澆基礎(chǔ)梁平衡柱底彎矩效果更好,現(xiàn)澆基礎(chǔ)柱最大Mises應(yīng)力更小?；A(chǔ)梁兩端支座處應(yīng)力水平較大,其中現(xiàn)澆基礎(chǔ)在與基礎(chǔ)頂面接觸處應(yīng)力水平更大,更為集中,而梁身范圍2種基礎(chǔ)無(wú)較大差異;雖然該裝配式基礎(chǔ)梁、柱應(yīng)力水平較大,但是均未超過(guò)屈服應(yīng)力。

表5 2種基礎(chǔ)6種工況下各構(gòu)件Mises應(yīng)力極值 單位:MPa

(2) 基礎(chǔ)頂面應(yīng)力狀態(tài)。裝配式獨(dú)立基礎(chǔ)與現(xiàn)澆獨(dú)立基礎(chǔ)6種工況下頂面壓應(yīng)力(S33)分布如圖11所示。由圖11可知:在各工況下,裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)的頂面壓應(yīng)力分布沒(méi)有較大差異,但是裝配式基礎(chǔ)頂面應(yīng)力分布較為集中;裝配式基礎(chǔ)梁支座處,壓應(yīng)力幅值較大,應(yīng)力較為集中,從而造成基礎(chǔ)梁支座處應(yīng)力更大。

圖11 基礎(chǔ)頂面壓應(yīng)力分析結(jié)果

(3) 槽鋼連接節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模擬結(jié)果表明,該裝配式基礎(chǔ)槽鋼連接節(jié)點(diǎn)在各工況下工作狀態(tài)良好。以工況① 為例,型鋼連接件有限元分析結(jié)果如圖12所示。

從圖12a可以看出:在螺栓孔附近應(yīng)力水平較大,最大Mises應(yīng)力為172 MPa,主要是由螺栓預(yù)緊力引起;錨筋、墊板未見(jiàn)較大應(yīng)力集中。從圖12b可以看出,槽鋼接觸面未產(chǎn)生相對(duì)滑移。

圖12 工況① 連接件有限元分析結(jié)果

6種工況下,螺栓工作狀態(tài)良好,從圖12c可以看出,螺栓孔壁內(nèi)未產(chǎn)生接觸壓力,接觸壓力僅在螺栓孔四周分布較大。

3.3.4 基礎(chǔ)沉降

基礎(chǔ)沿橫向關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)如圖13所示。6種工況下裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)橫向上各點(diǎn)豎向沉降變形曲線如圖14所示。

圖13 基礎(chǔ)沿橫向關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)

圖14 2種基礎(chǔ)6種工況下沉降變形曲線

從整體上看,由于偏心荷載作用,各工況下裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)沉降分布情況基本相同,沉降極值位于DJ-1基礎(chǔ)的四周;裝配式基礎(chǔ)沉降略小于現(xiàn)澆基礎(chǔ),DJ-1與DJ-2基礎(chǔ)沉降量在同一水平。上述結(jié)果說(shuō)明該裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案沉降分布較為均衡;工況① 出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降極值,這與工況① 以軸力控制為主相符合;最大沉降量達(dá)到2.37 mm,滿(mǎn)足工程沉降要求。

4 結(jié) 論

(1) 本文模塊化裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)變電站建筑物基礎(chǔ)的快速施工,各構(gòu)件單獨(dú)預(yù)制安裝的方式可以推廣到各種低、多層建筑以及變電站建筑物基礎(chǔ)的模塊化施工,進(jìn)一步促進(jìn)綠色化、模塊化變電站建設(shè),有一定的應(yīng)用價(jià)值。

(2) Midas和ABAQUS有限元軟件的仿真模擬結(jié)果表明,該裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案各構(gòu)件均未達(dá)到屈服條件,其沉降和地基反力與現(xiàn)澆基礎(chǔ)無(wú)較大差異,新型槽鋼連接節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)良好,沉降與變形均達(dá)到規(guī)范與設(shè)計(jì)要求。

(3) 該裝配式基礎(chǔ)與現(xiàn)澆基礎(chǔ)相比，梁柱節(jié)點(diǎn)剛度較小,可能造成梁支座處及柱身應(yīng)力水平增大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用加大局部配筋等措施保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。