模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)及有限元分析

劉 偉,陳德秋,劉雅倫,王小平,柴 明,李福鑫,程春英,熊思麒

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司咸寧供電公司,咸寧 437199;2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070;3.湖北別一閣鋼結(jié)構(gòu)科技開(kāi)發(fā)有限公司,武漢 430070)

2012年,國(guó)家電網(wǎng)公司全面開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)配送式智能變電站試點(diǎn)建設(shè),推行“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、裝配式建設(shè)”,即對(duì)變電站內(nèi)建筑物采用通用設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)變電站的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)[1]。

在各種電壓等級(jí)的變電站中,主變壓器(GSU)是主要電氣設(shè)備之一,擔(dān)負(fù)著變換電壓、進(jìn)行電力傳輸?shù)闹匾蝿?wù),其基礎(chǔ)由伐板、支墩和漏油池等三部分組成。目前主變壓器基礎(chǔ)建設(shè)仍采用傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)澆筑方式,標(biāo)準(zhǔn)化程度低,現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多,材料用量大,施工工期長(zhǎng),施工質(zhì)量難以控制,且不符合綠色施工的要求。

根據(jù)所查文獻(xiàn),目前變電站裝配式基礎(chǔ)的研發(fā)與應(yīng)用主要集中在GIS(氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān))設(shè)備[2-6],有關(guān)主變基礎(chǔ)裝配式技術(shù)的研究和應(yīng)用還很少有人涉及。

李陽(yáng)等[7]提出了一種榫卯結(jié)構(gòu)的裝配式主變基礎(chǔ),在對(duì)其進(jìn)行模擬計(jì)算、確定其合理性后,作者將其應(yīng)用于山西長(zhǎng)治110 kV四家池變電站中,解決了主變基礎(chǔ)快速施工的難題,具有良好的工程及經(jīng)濟(jì)意義。劉超[8]以“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工”為設(shè)計(jì)思路,在確保結(jié)構(gòu)受力合理性的前提下,充分考慮制作、運(yùn)輸、安裝等環(huán)節(jié)的實(shí)際工程可行性,設(shè)計(jì)研究出了一種適用于變電站主變壓器的模塊化裝配式混凝土基礎(chǔ)。論文基于主變壓器的工藝特點(diǎn)和基礎(chǔ)要求,以110 kV變電站為例,提出模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ),并采用ABAQUS軟件對(duì)主變基礎(chǔ)進(jìn)行了有限元分析。

1 模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)

模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)由裝配式筏板和2個(gè)預(yù)制支墩現(xiàn)場(chǎng)組裝而成,如圖1所示。

裝配式筏板由若干模塊化蜂窩型預(yù)制件現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)螺栓連接而成。模塊化蜂窩型預(yù)制件由混凝土蜂窩肋45°相交形成的蜂窩和底板一體化預(yù)制而成。蜂窩型預(yù)制件平面尺寸為300 mm的模數(shù),一般為1.2 m×2.4 m、1.2 m×3.0 m,高度根據(jù)計(jì)算確定,一般為100 mm的倍數(shù),底板厚80 mm、100 mm、120 mm或150 mm。蜂窩肋中心對(duì)角線的距離為600 mm, 肋厚度一般為80 mm、100 mm、120 mm和150 mm。蜂窩預(yù)制件外圍肋的相交處形成一個(gè)平面,其上沿高度開(kāi)設(shè)有4個(gè)d0=24的螺栓孔,以方便預(yù)制件之間現(xiàn)場(chǎng)采用8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接。 蜂窩肋采用C80以上高性能混凝土,不配鋼筋。底板則采用C40以上普通混凝土,配置雙層雙向鋼筋。

預(yù)制支墩由上翼緣、下翼緣、腹板和加勁板組成,其中下翼緣還開(kāi)設(shè)有預(yù)留孔,如圖1所示。預(yù)制支墩長(zhǎng)3 000 mm,整體高730 mm。上下翼緣寬1 000 mm,厚150 mm。上翼緣頂面根據(jù)工藝要求預(yù)埋兩塊鋼板,以方便與主變壓器之間的連接。下翼緣每邊設(shè)有4個(gè)共計(jì)8個(gè)直徑200 mm的孔洞,每孔中穿設(shè)3根帶彎鉤的HRB400、直徑12 mm的鋼筋至蜂窩底,然后采用細(xì)石混凝土澆筑。預(yù)制支墩采用C40普通混凝土一體化預(yù)制而成,上下翼緣和腹板內(nèi)配置HRB400雙層雙向鋼筋,直徑10 mm以上,間距150 mm以內(nèi)。

蜂窩型預(yù)制件尺寸如圖2所示,底板采用C40普通混凝土,布置HRB400、雙層雙向φ12@150鋼筋,蜂窩肋采用C80高性能混凝土。圖3為110 kV模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)的裝配式筏板,由8個(gè)1.2 m×2.4 m的蜂窩型預(yù)制件現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)4個(gè)8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接。

模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化程度高、重量輕,現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接,濕作業(yè)少,生產(chǎn)安裝方便,施工周期短,在主變基礎(chǔ)中具有較好的應(yīng)用前景。

2 110 kV主變基礎(chǔ)有限元建模

考慮到110 kV模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)的復(fù)雜性,采用ABAQUS軟件,建立包括地基土和兩個(gè)預(yù)制支墩在內(nèi)的主變基礎(chǔ)有限元模型,以分析基礎(chǔ)的受力性能。

有限元建模時(shí),混凝土材料均采用塑性損傷模型。蜂窩肋為C80高性能混凝土,參照相關(guān)文獻(xiàn),其彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別取42 000 MPa、0.17、6.0 MPa、80.0 MPa。蜂窩底板和預(yù)制支墩為C40普通混凝土,其彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別取32 500 MPa、0.2、2.39 MPa、40.0 MPa。

8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓和HRB400鋼筋均采用理想的彈塑性模型,其屈服強(qiáng)度分別取640 MPa和400 MPa,彈性模量和泊松比分別為200 000 MPa和0.3。土體采用摩爾庫(kù)倫模型,密度2.0×10-9t/mm3,壓縮模量為6 MPa,泊松比取0.3,摩擦角為30°,凝聚力屈服應(yīng)力為0.04 MPa。

蜂窩型預(yù)制件和預(yù)制支墩均采用三維實(shí)體C3D8R模擬,網(wǎng)格尺寸分別為50 mm和80 mm,如圖4所示。螺栓采用B31梁?jiǎn)卧M,網(wǎng)格尺寸5 mm。為簡(jiǎn)化有限元建模,僅考慮蜂窩底板中的鋼筋,鋼筋簡(jiǎn)化為T(mén)3D2三維桁架單元,網(wǎng)格尺寸5 mm。土體深度10 m,平面尺寸25 m×25 m,采用三維實(shí)體C3D8R模擬,網(wǎng)格尺寸500 mm。

蜂窩型預(yù)制件、預(yù)制支墩及土體之間的法向行為均為硬接觸,切向行為為摩擦接觸?；炷林g、混凝土與土體之間的摩擦系數(shù)分別為0.8和0.5。螺栓、鋼筋的梁?jiǎn)卧丸旒茉謩e內(nèi)置于兩端或內(nèi)置于混凝土中。土體側(cè)面法向約束,底面固接。在ABAQUS中使用odb導(dǎo)入法進(jìn)行地應(yīng)力平衡。

采用ABAQUS中的General,Statics模塊,同時(shí)考慮安裝和使用荷載,對(duì)110 kV 典型模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)進(jìn)行了有限元分析。

3 110 kV主變基礎(chǔ)有限元分析結(jié)果

該文在進(jìn)行110 kV模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)有限元分析時(shí),僅考慮了使用階段的荷載工況。

在使用階段,假設(shè)設(shè)備重力荷載和500 mm厚的土體以均布荷載方式作用于預(yù)制支墩表面,并考慮恒載分項(xiàng)系數(shù)1.3,其大小經(jīng)過(guò)計(jì)算后為:0.227 9 N/mm2。另外,考慮設(shè)備與基礎(chǔ)重心有沿預(yù)制支墩縱向的300 mm偏心,因而在支墩表面添加了305 760 000 N·mm2的彎矩。

圖5、圖6分別為蜂窩底板混凝土的主拉和主壓應(yīng)力云圖,圖7、圖8分別為蜂窩肋混凝土的主拉和主壓應(yīng)力云圖。圖9為主變基礎(chǔ)的沉降圖。從圖中可知:蜂窩底板的最大主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力分別為2.054 MPa和1.095 MPa,均位于偏心方向預(yù)制支墩的端部,分別小于C40混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值40.0 MPa。蜂窩肋的最大主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力分別為3.765 MPa和5.478 MPa,也均位于偏心方向預(yù)制支墩的端部,分別小于C80混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值6.0 MPa和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值80.0 MPa。

螺栓、鋼筋的Mises應(yīng)力最大值分別為62.76 MPa和7.064 MPa,小于屈服強(qiáng)度640 MPa和400 MPa,滿足要求?；A(chǔ)在使用荷載設(shè)計(jì)值作用下的豎向位移最大值為-21.35 mm,最小值為-13.70 mm,沉降差為7.65 mm。根據(jù)DL/ T5457—2012《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》11.1.2條,主變基礎(chǔ)沉降差容許值為0.003×4 800 mm=14.4 mm,大于7.65 mm,滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

a.模塊化蜂窩型主變基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化程度高、質(zhì)量輕,預(yù)制件現(xiàn)場(chǎng)螺栓連接,生產(chǎn)安裝方便,施工周期短,在變電站的主變基礎(chǔ)中應(yīng)用前景廣泛。

b.針對(duì)110 kV典型主變基礎(chǔ)所進(jìn)行的有限元分析表明:蜂窩底板、蜂窩肋和預(yù)制支墩混凝土的最大主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力均小于混凝土相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值,螺栓和鋼筋的最大Mises應(yīng)力均小于標(biāo)準(zhǔn)值,沉降差也在規(guī)范許可范圍內(nèi),可以在工程中試用。

c.110 kV典型主變基礎(chǔ)混凝土的最大主拉、主壓應(yīng)力均位于偏心方向預(yù)制支墩的端部。