變電站GSU模塊裝配式基礎受力性能與數值分析

張慧潔 劉 超 高奔浩 王靜峰，3，* 李景哲

（1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，合肥 230071；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，合肥 230009；3.國家裝配式建筑產業(yè)基地，合肥 230009）

0 引 言

隨著我國大力發(fā)展建筑工業(yè)化，預制裝配式建筑因“模塊化設計、工業(yè)化生產和綠色化建造”等優(yōu)點逐步得到應用和推廣[1]。2006年，為實現(xiàn)資源節(jié)約、環(huán)境友好和工業(yè)化生產等目標，國家電網公司提出了建設“兩型一化”變電站的要求[2]，大力推進綠色模塊化變電站建設?；炷令A制裝配式技術是實現(xiàn)變電站綠色模塊化建設的主要方法之一[3]。

目前，混凝土預制裝配式技術主要用于變電站地上部分的建造，如主控樓主體結構采用預制裝配式混凝土結構，圍墻采用預制裝配式墻板等[4-5]。然而作為變電站核心設備的主變壓器（GSU）基礎仍以傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土施工為主，如圖1所示，存在基礎體積大、自重大、施工工期長、施工質量難以控制等問題。目前國內外尚缺乏GSU模塊裝配式基礎研究和應用。

圖1 主變壓器及現(xiàn)澆混凝土基礎Fig.1 GSU and cast-in-place concrete foundation

為此，本文以“標準化設計、工廠化生產、裝配式施工”為設計思路，在確保結構受力合理的前提下，利用混凝土預制裝配技術，充分考慮制作、運輸、安裝等多個環(huán)節(jié)，研發(fā)設計出了一種適用于主變壓器（GSU）的新型裝配式、模塊化基礎結構形式，并采用ABAQUS有限元程序建立了該裝配式基礎和地基的數值分析模型，分析其受力變形特點，探討其設計計算方法，為其應用和推廣提供參考依據。

1 GSU模塊裝配式基礎設計

1.1 工程案例選取

本文工程案例選取國家電網安徽公司某220 kV變電站設計方案，參照國家電網公司輸變電工程通用設計《220 kV～750 kV變電站設計技術規(guī)程》（DL/T 5218）[6]，工程地質、水文和氣象條件參照合肥地區(qū)。

GSU基礎上部荷載參考表1中電氣信息。根據《變電站建筑結構設計技術規(guī)定》（DL/T 5457）[7]要求，當GSU設備正常運行時，主變設備基礎的地基承載力驗算按照軸心受壓計算。變電站GSU基礎的容許最大沉降差不得超過0.003l（l為地基基礎的縱向長度）。GSU基礎采用C30強度等級的混凝土，fc=14.30 N/mm2，ft=1.43 N/mm2；縱筋強度等級為 HRB400，fy=360 N/mm2，fy'=360 N/mm2；箍筋強度等級為HPB300，fy=270 N/mm2。地基基礎的軸壓標準值Nk=2 824.00 kN，軸壓設計值N=3 812.40 kN?，F(xiàn)澆混凝土設計方案尺寸為：長×寬×高=7 800 mm×4 400 mm×1 800 mm，如圖2所示。

表1 GSU電氣信息Table 1 GSU electrical information

圖2 現(xiàn)澆基礎尺寸圖（單位：mm）Fig.2 Dimensional drawing of cast-in-place foundation（Unit：mm）

1.2 GSU模塊裝配式基礎研發(fā)

由于傳統(tǒng)變電站GSU現(xiàn)澆混凝土基礎存在材料用量多、分層澆筑周期長、工程造價高等缺點，針對其荷載類型和受力特征，筆者研發(fā)了一種模塊化裝配式基礎形式，即“梁柱一體化框架”結構形式。

GSU模塊裝配式基礎由若干預制模塊化基礎單元組成，包括：①地基梁，用于承受上部結構和設備的全部荷載，且將自身重量傳遞到地基上；②基礎梁，用于承受上部荷載，并將荷載傳遞到地基梁和地基上；③承臺墩，用于增加基礎埋深和整體剛度，將上部荷載傳遞到基礎梁上；④承臺梁，用于增加結構剛度，放置預埋件以支承電器變壓器，并將設備荷載傳遞到承臺墩上。上述4種預制混凝土構件可組成1個GSU裝配式基礎模塊化單元，4個單元由水平套筒連接形成模塊化GSU裝配式基礎整體，詳細結構拆分思路如圖3所示。傳統(tǒng)現(xiàn)澆地基基礎與本文研發(fā)的模塊化GSU裝配式基礎對比如表2所示。

圖3 GSU模塊裝配式基礎拆分Fig.3 Splitting of GSU modular fabricated foundation

表2 GSU基礎設計方案比對Table 2 Comparison of GSU foundation design schemes

針對GSU基礎主要承擔軸向靜壓力荷載的特點，GSU模塊裝配式基礎的結構傳力形式更加明確，在適當降低材料用量的基礎上保持結構整體安全性，進行結構優(yōu)化設計，可實現(xiàn)混凝土用量由148 t降低到52 t，節(jié)省混凝土約65%；施工過程采用全裝配式施工流程，可有效縮短工程周期，提升工程環(huán)境效益。

2 GSU裝配式基礎有限元分析

2.1 數值分析模型

本文通過有限元程序ABAQUS建立了GSU模塊裝配式基礎的數值分析模型，進行了受力性能分析。采用合理的材料本構關系，考慮材料的非線性、界面接觸、邊界條件和網格劃分多尺度等問題，建立了合適的數值分析模型。通過ABAQUS的二次開發(fā)接口，將土體定義為“無限元”邊界條件，可以真實模擬實際工程中基礎-地基土體間的相互作用，充分考慮土體的沉降和自重應力等影響。該分析模型主要由無限元網格地基土、裝配式基礎、鋼筋籠等部分組成，如圖4所示。

圖4 GSU模塊裝配式基礎-無限元土體模型Fig.4 FEM of GSU prefabricated foundation and soil

2.2 材料本構關系

2.2.1 混凝土

本文中混凝土的本構關系參照《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）[8]中規(guī)定的混凝土單軸受壓和受拉應力-應變曲線，如圖5所示。

圖5 混凝土單軸應力-應變關系曲線Fig.5 Uniaxial stress-strain curve of concrete

2.2.2 鋼筋

鋼筋的本構關系模型采用雙折線應力-應變模型，彈性模量由材性試驗得到。其表達式為

式中：εb、εb，u分別為鋼筋的屈服應變和極限應變；fb、fb，u為鋼筋的屈服強度和極限強度；Eb為鋼筋的彈性模量，取Eb=tanθ=fb/εb；Eb’為鋼筋強化段模量，本文近似取0.01E。b

2.2.3 土體

本模型將土體看作一種彈塑性非線性材料，為了提高計算收斂性，采用Drucker-Prager屈服準則[9]來模擬其變形。輸入ABAQUS程序的主要材料參數如表3所示。

表3 土體主要材料參數Table 3 Material parameters of soil

2.3 參數設置

2.3.1 單元類型

本文中數值分析模型采用ABAQUS的Standard&Explicit求解器，對于混凝土和內部土體單元采用八節(jié)點減縮積分實體單元C3D8R，考慮實際加載情況，承臺梁上部分別放置八塊剛性墊板。鋼筋籠單元類型為兩節(jié)點三維桁架單元T3D2。土體尺寸為基礎尺寸的2倍以上，其中長度為16.4 m、寬度為9.2 m、深度為3.2 m。為了真實模擬出實際土體四周無限大的情況，降低土體邊界條件對于計算精度的影響，本文對于最外部的土體單元通過ABAQUS中的二次開發(fā)接口修改土體單元類型，將其定義為無限元三維實體單元CIN3D8。

2.3.2 網格劃分

網格劃分對有限元分析模型的計算精度及收斂速度有重要的影響[10]。本模型的內側土體以及基礎部分的網格采用ABAQUS中結構化網格化分技術（Structured），鋼筋籠單元尺寸為100 mm，土體和基礎相互作用部位網格尺寸為基礎整體長度的1/8，距離基礎較遠的土體網格尺寸為300～350 mm，最外層土體單元則設置為無限元單元，單位網格劃分如圖4所示。

2.3.3 接觸設置

GSU模塊裝配式基礎的各個部件之間的接觸設定為綁定約束（Tie）?；炷敛糠趾弯摻罟羌苤g通過嵌入區(qū)域約束（Embedded region）進行模擬。

GSU模塊裝配式基礎與周圍土體之間通過面與面接觸（Surface-to-surface contact）進行模擬。接觸面間的切向作用采用庫倫摩擦模型，選擇“罰”函數（Penalty），摩擦系數取0.6，法線方向采用“硬接觸”（Hard）。

2.3.4 邊界條件和加載方式

本模型采用無限元方式施加土體邊界條件，可以真實模擬出土體環(huán)境。通過在GSU模塊裝配式基礎頂部100 mm處建立參考點RP1，使用“耦合”（Coupling）命令將其與基礎頂部受力承臺梁端面進行約束，在參考點上施加約束荷載對基礎模型開展全過程非線性受力分析。通過設立多個分析步（Step）實現(xiàn)模型自重應力的施加，進行模塊化GSU裝配式基礎在上部荷載與自重等影響下的結構分析。

3 數值模擬結果與分析

3.1 地基土體應力分析

如圖6所示，選取無限元單元地基土體中部剖面應力進行應力狀態(tài)分析。本文中模塊化GSU裝配式基礎承受軸向壓力，提取Z方向應力（S33）進行分析。地基土的應力基本呈現(xiàn)出錐形向下擴散，其中基礎底面與土體接觸面上的接觸應力為116.4 kPa，小于設計給出的地基承載力特征值150 kPa。且該數值與按照現(xiàn)有規(guī)范計算得到的114.45 kPa地基承載力僅相差1.70%，有限元分析與規(guī)范計算結果接近，表明GSU模塊裝配式基礎的地基承載力可以按照現(xiàn)行國家規(guī)范進行計算。

圖6 地基土剖面壓應力（單位：Pa）Fig.6 Compressive stress in the foundation soil profile（Unit：Pa）

為進一步明確地基應力傳遞路徑，結合圖7的地基土體模型的底面應力，地基應力在Z方向上的傳遞類似于“圓臺”形，其典型特征為：由上部向下部擴散，由中間向四周擴散，其擴散角與地基土體的基本力學指標有關。

圖7 地基土體底面壓應力（單位：Pa）Fig.7 Compressive stress at the bottom surface of foundation soil（Unit：Pa）

3.2 基礎構件與連接處應力分析

圖8表明了應力在基礎內的分布情況和傳遞規(guī)律，混凝土構件內部的壓應力隨著埋入土體深度的增加而逐漸減少，其中承臺梁的混凝土最大壓應力為0.71 MPa，承臺墩的混凝土最大壓應力為0.51 MPa，基礎梁的混凝土最大壓應力為0.29 MPa，地基梁的最大壓應力為0.24 MPa。以上數據均明顯小于C30混凝土的抗壓強度設計值14.3 MPa，這說明本文所研發(fā)的模塊化GSU裝配式基礎在正常使用階段能夠滿足強度設計要求；隨著基礎構件的埋入深度增加，壓應力逐漸減小也說明了基礎內部的應力傳遞路徑合理，不存在應力集中現(xiàn)象。

圖8 GSU模塊裝配式基礎Mises應力（單位：Pa）Fig.8 Mises stress of the GSU foundation member（Unit：Pa）

對于本模型的裝配式構件連接處，在ABAQUS中提取鋼筋籠的Mises應力分析受力特性。如圖9所示，在正常使用荷載工況中，鋼筋均處于低應力水平，其最大拉應力為0.96 MPa，而連接處的最大鋼筋應力值為0.68 MPa，兩者均遠遠小于鋼筋的屈服強度強度。說明GSU模塊裝配式基礎的配筋和裝配式連接處均可滿足正常使用需求。

圖9 GSU裝配式基礎鋼筋應力（單位：Pa）Fig.9 Reinforcement stress of the GSU foundation（Unit：Pa）

3.3 基礎整體沉降分析

根據《變電站建筑結構設計技術規(guī)定》（DL/T 5457—2012）[6]要求：GSU基礎的容許沉降不得超過0.003l=24 mm。根據數值模擬結果，本文提取基礎頂部8個控制點和基礎底部12個控制點，計算其沉降值并繪制出基礎各控制點沉降，如圖10、圖11所示。

圖10 GSU模塊裝配式基礎控制點沉降（單位：m）Fig.10 Settlement of the GSU foundation（Unit：m）

圖11 GSU模塊裝配式基礎沉降曲線Fig.11 Settlement curve of the GSU foundation

GSU模塊裝配式基礎控制點平均沉降值為2.2 mm，滿足規(guī)范要求?；A整體沉降較為均勻，其中中部沉降略大，四周沉降較小，這是因為基礎中部受荷較大，應力大，沉降也較大。由圖11可知（橫坐標自左向右分別為各構件的縮寫），基礎各構件的沉降自下而上逐漸增加，這是由于隨著埋入深度的增加，基礎的抗沉降能力也逐步增加。計算分析表明GSU模塊裝配式基礎能夠完全滿足主變設備的正常運作要求，并且留有安全儲備。

結合表2、表4所示，相對于傳統(tǒng)主變壓器大體積混凝土基礎，本文所研發(fā)的GSU模塊裝配式基礎的各項基本參數均能夠滿足規(guī)范設計要求，提升社會經濟和環(huán)境保護效益。

表4 GSU模塊裝配式基礎數值模擬結果Table 4 Numerical results of the GSU foundation

4 結論

（1）結合GSU基礎的受力特點，研發(fā)設計了一種新型模塊裝配式混凝土基礎，該新型基礎可以在確保結構安全的前提下降低工程用料量，提高施工效率，有顯著的社會經濟和環(huán)境效益。

（2）建立了“GSU模塊裝配式基礎-無限元地基土”相互作用有限元模型，可有效地計算GSU模塊裝配式混凝土基礎的地基承載力、連接處構件應力和基礎沉降等數據。

（3）有限元分析結果表明GSU模塊裝配式混凝土基礎的地基承載力計算可根據現(xiàn)行國家規(guī)范規(guī)定方法進行該類基礎的設計計算，基礎整體沉降均勻，最大沉降值滿足規(guī)范要求，研發(fā)設計方法合理可行。