全封閉預(yù)裝式鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與仿真

摘 要：預(yù)制艙基礎(chǔ)是預(yù)裝式變電站的重要環(huán)節(jié)，基礎(chǔ)的建設(shè)方案通常根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境決定，在某些場景下常規(guī)的建設(shè)方案無法順利解決用戶的困擾。鑒于此，結(jié)合傳統(tǒng)的基礎(chǔ)建設(shè)方案和使用場景，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)和選擇思路并提出了一種新的基礎(chǔ)建設(shè)樣式。以該結(jié)構(gòu)樣式為對象，采用CAE軟件對其雪載、風(fēng)載、地震荷載強(qiáng)度等進(jìn)行分析并驗(yàn)證其可靠性，該方法可分析復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在制造之前對設(shè)計(jì)整體進(jìn)行風(fēng)險分析和驗(yàn)證，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)制造成本。

關(guān)鍵詞：預(yù)裝式；預(yù)制艙；基礎(chǔ)；有限元分析

中圖分類號：TP391.9" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.001

0" " 引言

預(yù)裝式變電站具有占地面積小、建設(shè)快捷且周期短、綜合經(jīng)濟(jì)效益明顯的特點(diǎn)，隨著預(yù)裝式變電站建站方案的普及，其基礎(chǔ)作業(yè)的某些特點(diǎn)也越來越明顯。

土建基礎(chǔ)建設(shè)需要根據(jù)具體的工程條件、地質(zhì)條件、建筑物的結(jié)構(gòu)形式以及經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素進(jìn)行綜合考慮。由于建筑抗震、抗沉降等需要，土建基礎(chǔ)需要開挖較深的基坑后制作筏板，再制作箱式基礎(chǔ)。

土方開挖受巖土情況影響較大，在某些山地、海島等環(huán)境施工較困難，而混凝土養(yǎng)護(hù)嚴(yán)重受環(huán)境和天氣的影響，導(dǎo)致從開挖到混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束的施工周期極長，成本極高。全封閉鋼結(jié)構(gòu)相比土建基礎(chǔ)具有土方作業(yè)量小，施工周期短，受氣候、巖土影響小等特點(diǎn)，可以作為預(yù)裝式變電站基礎(chǔ)作業(yè)方案對土建基礎(chǔ)和架空基礎(chǔ)等的有力補(bǔ)充。

1" " 樣式介紹

1.1" " 土建基礎(chǔ)

使用場景：預(yù)制艙所使用的箱式基礎(chǔ)和承臺基礎(chǔ)是一種歷史悠久的建筑基礎(chǔ)樣式，具有工藝成熟、使用可靠的特點(diǎn)，尤其適用于城市、城郊、整體項(xiàng)目施工現(xiàn)場等施工場景。其常見樣式如圖1所示。

優(yōu)點(diǎn)：土建基礎(chǔ)可視為半永久建筑，其承載可靠，使用壽命長，可與現(xiàn)場電纜溝整體設(shè)計(jì)施工，適合地質(zhì)條件良好的建站場所。

1.2" " 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制艙基礎(chǔ)

使用場景：通常土建預(yù)制艙基礎(chǔ)采用傳統(tǒng)土建方式，因其建設(shè)周期長，需重型機(jī)械進(jìn)行土方作業(yè)，而所需鋼筋、砂石等建筑材料需大型貨車運(yùn)抵現(xiàn)場，在偏遠(yuǎn)地區(qū)會極大地提高附帶建設(shè)成本。亦或現(xiàn)場天氣條件較差，雨季、嚴(yán)寒等客觀因素造成鋼混施工困難、混凝土養(yǎng)護(hù)困難，難以保證土建作業(yè)保質(zhì)保量按時完成，為后續(xù)的預(yù)制艙工作和項(xiàng)目如期交付帶來極大困難。此類情況下可采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制艙基礎(chǔ)，其常見樣式如圖2所示。

優(yōu)點(diǎn)：1）與傳統(tǒng)土建相比，鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)只需進(jìn)行少量的土建作業(yè)，即可滿足安裝條件；2）工廠化生產(chǎn)使風(fēng)險在工廠可控，減少了現(xiàn)場風(fēng)險管理的工作量；3）鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)各組件在現(xiàn)場安裝時可自主調(diào)節(jié)以適應(yīng)較差的地理?xiàng)l件；4）鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)預(yù)制艙就位后可方便地安裝電纜，基礎(chǔ)空間為半開放式空間，不再需要單獨(dú)配置排水泵和檢修井。

1.3" " 全封閉預(yù)裝式鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

使用場景：1）高海拔地區(qū)、偏遠(yuǎn)山區(qū)、海島等特殊地理?xiàng)l件下，大批量材料運(yùn)輸難以抵達(dá)或成本極高；2）人力資源少、施工受自然條件約束大，巖石、硬土等土方作業(yè)在人力條件下極難進(jìn)行；3）化工廠等受限園區(qū)約束不便展開大規(guī)模土方作業(yè)等場景。為盡量減少土建施工量，此時可采用預(yù)制全封閉基礎(chǔ)，此種基礎(chǔ)僅需要一定的平整和硬化作業(yè)，即可滿足預(yù)制艙就位需求。

其常見樣式如圖3所示。

這種基礎(chǔ)建設(shè)方式除上文鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）只需筏板作支撐，大大減少了土方作業(yè)量；2）和預(yù)制艙同步生產(chǎn)，現(xiàn)場同步組裝，大大縮短了整體施工周期；3）可根據(jù)氣候、環(huán)境等條件設(shè)計(jì)電纜敷設(shè)、保溫、制冷、通風(fēng)、防塵等設(shè)施，可集成照明、報(bào)警、溫濕度檢測等智能系統(tǒng)，集成化、智能化程度進(jìn)一步提高。

基礎(chǔ)建設(shè)方案應(yīng)根據(jù)土建施工難度、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保等方面綜合考慮，表1列舉了三種建設(shè)方式的橫向?qū)Ρ取?/p>

2" " 仿真分析

基礎(chǔ)主體結(jié)構(gòu)的荷載分析對于選擇合適的材料而言至關(guān)重要。首先，CAE分析可根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和用途更好地確定其所需的強(qiáng)度和耐久性；其次，CAE分析可以幫助更好地選擇加工性和經(jīng)濟(jì)性兼顧的材料；最后，CAE分析可以更好地確保艙體的穩(wěn)定性和安全性。

2.1" " 工況選擇

進(jìn)行分析的模塊化預(yù)制艙長35 m、寬6.7 m、高8.5 m，主要分為鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)模塊、二層一次艙模塊、三層二次艙頂蓋模塊以及安裝附件，其模型示意圖及實(shí)際樣貌如圖4所示。為了保證吊裝、承重等工況下艙體有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，采用整體焊接的形式，整體作為一個模塊。各個相鄰的模塊之間通過緊固件進(jìn)行組裝連接。

經(jīng)過前期計(jì)算，二層艙體重約70 t，設(shè)備重30 t，三層艙體重約70 t，設(shè)備約30 t，頂蓋重量約30 t。鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承重約230 t，即2 254 kN。

全封閉預(yù)裝式鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的特殊性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在各個模塊的計(jì)算上。對于預(yù)制艙的各種工況來說，在雪載、風(fēng)載、地震荷載作用下的鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受力最大，因此，選擇在這三種工況下驗(yàn)證H型鋼與槽鋼焊接組合的新型鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案的安全性與可靠性[1]。

2.2" " 分析模型的建立

為驗(yàn)證該新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，采用有限元分析法，建立艙體的三維有限元仿真模型，在靜止平放狀態(tài)下對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及變形進(jìn)行分析，最后給出變形及強(qiáng)度校核結(jié)果。由于艙體整體尺寸較大，綜合考慮分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和仿真效率，艙體承力框架組成構(gòu)件的單元尺寸設(shè)置為50 mm。網(wǎng)格劃分完成后，總單元數(shù)為3 635 248萬個，總節(jié)點(diǎn)數(shù)量為11 627 100個。設(shè)定約束邊界為艙體底面施加完全固定約束。

強(qiáng)度分析時，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]，考慮永久荷載（自重、內(nèi)部設(shè)備荷載）和可變荷載（活荷載、雪荷載、風(fēng)荷載、地震作用）組成的荷載組合。

結(jié)構(gòu)材料選擇為Q235B結(jié)構(gòu)鋼，材料屬性：彈性模量為210 GPa，泊松比為0.27，屈服強(qiáng)度為235 MPa，密度為7 850 kg/m3。

2.3" " 雪載分析

積雪以靜載的形式對預(yù)制艙頂部施加壓力，使得艙頂構(gòu)件產(chǎn)生變形，積雪冰凍后溫度變化也會改變鋼型材結(jié)構(gòu)的剛度特性。根據(jù)規(guī)范[2]，屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

S_k=μ_rS₀ （1）

式中：S_k為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值；μ_r為屋面積雪分布系數(shù)；S₀為基本雪壓，取0.35 kN/m²。

屋面積雪分布系數(shù)取1.0，因此雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.35 kN/m2。由此易得：艙體頂面雪荷載作用在頂面支撐構(gòu)建的上表面，頂面框架承壓為0.003 274 MPa。

雪荷載分析結(jié)果如圖5所示：可知艙體最大變形量為1.552 mm，位于艙體頂框豎梁上，變形滿足撓度要求；艙體承力構(gòu)件最大應(yīng)力為129.91 MPa，位于艙體三層底架豎梁上，最大應(yīng)力小于Q235B材料的許用屈服極限。

2.4" " 風(fēng)載分析

計(jì)算預(yù)制艙抗風(fēng)荷載的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，主要考慮主受力結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)強(qiáng)度。根據(jù)規(guī)范[2]要求，垂直于預(yù)制艙表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算：

w_k=β_z μ_s μ_zw₀ （2）

式中：w_k為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；β_z為高度z處的風(fēng)振系數(shù)，取值1；μ_s為風(fēng)荷載體型系數(shù)；μ_z為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取值1；w₀為基本風(fēng)壓，取值0.45 kN/m²。

由式（2）易得出：艙體承力面上的所受荷載為0.002 86 MPa。

分析結(jié)果如圖6所示：可知艙體最大變形量為1.63 mm，位于艙體二層頂框豎梁上，變形滿足撓度要求；艙體承力構(gòu)件最大應(yīng)力為139.6 MPa，位于艙體三層底架上，最大應(yīng)力小于Q235B材料的許用屈服極限。

2.5" " 地震荷載分析

地震設(shè)防烈度為8級，基本加速度為0.2g。

α1=（T_g/T₁）η₂α_max（3）

式中：α₁為地震影響系數(shù)；T₁為結(jié)構(gòu)自振周期，T₁=0.15×3=0.45；T_g為特征周期，取0.45；γ為衰減系數(shù)，取0.9；η₂為阻尼調(diào)整系數(shù)，取1.0；α_max為水平地震影響系數(shù)最大值，取0.16。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）得：α₁=0.16。

結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值F_EK=G_eq×α1=G×0.85α₁=2 254×0.85×0.16=306.544 kN。其中，G_eq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載；G為艙體總重力荷載代表值。

艙體各層水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值：

Fi=G_iH_i/∑G_iH_iF_EK （4）

式中：F_i為第i層艙體水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；G_i為第i層艙體結(jié)構(gòu)總重力；H_i為第i層艙體結(jié)構(gòu)重心高度。

將各層參數(shù)代入式（4），分別計(jì)算得到各層水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

分析結(jié)果如圖7所示：艙體最大變形量為2.22 mm，位于艙體三層底架橫梁上，變形滿足撓度要求；艙體承力構(gòu)件最大應(yīng)力140.02 MPa，小于Q235B材料許用屈服極限。根據(jù)規(guī)范[3]，此艙體構(gòu)件應(yīng)力滿足要求。

3" " 結(jié)束語

預(yù)裝式變電站在地理?xiàng)l件和交通條件較差的地區(qū)相比于傳統(tǒng)電站具有極高的優(yōu)越性，但基礎(chǔ)建設(shè)仍然對這種建站方式具有一定的限制性。本文在前期提出的鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的背景下[4]，針對高難度施工場景、集成化電纜敷設(shè)等又提出了全封閉預(yù)裝式鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案，并基于ANSYS Workbench仿真分析軟件對該方案在雪載、強(qiáng)風(fēng)、地震等工況下的力學(xué)性能進(jìn)行了分析校驗(yàn)。

[參考文獻(xiàn)]

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[3] 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010[S].

[4] 何顯江，燕飛飛，王說說，等.淺談鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制基礎(chǔ)[J].機(jī)電信息，2020（33）：1-3.

收稿日期：2024-05-14

作者簡介：張文威（1989—），男，安徽人，工程師，研究方向：預(yù)裝式變電站預(yù)制艙。