轻量化预制装配式箱变基础研究*

刘亚东

(上海中森建筑与工程设计顾问有限公司 200333)

引言

箱式变电站是将配电室集中组合到一个箱体内部, 以代替传统的配电室, 而箱变基础就是箱式变电站的基础。箱式变电站需要放在一个水泥构造的底部中空的平台上面, 电缆自基础内部传入箱变。传统的箱变基础采用“湿法”施工, 即现场浇筑、砌筑, 受季节气候、人员等因素影响较大, 土方开挖量大, 施工复杂程度高[1,2]。如果把箱变基础改为预制装配式基础, 相关构件由生产厂家按通用规范在工厂内生产完毕, 到现场后只需进行安装连接, 则可以降低综合造价, 缩短建设周期, 减少维护投入。

目前装配式箱变基础大多采用整体预制的形式, 即由一块底板加环状墙体拼接而成, 构件体量大, 重量重, 不便于生产和运输, 经济性差。本文研究的轻量化预制装配式箱变基础是将基础分解成若干块轻量化的构件, 在工厂制造后运至已开挖的基坑就地组装, 可有效解决生产、运输、安装的问题。

1 轻量化预制装配式箱变基础概述

1.1 设计原则

根据箱变基础的实际条件, 轻量化预制装配式箱变基础按以下原则进行设计[2]:

(1)满足安全、稳定性和承载要求, 满足箱式变电站正常使用要求。

(2)基础组成构件重量轻、强度高, 且具有足够刚度, 满足运输和施工的要求。

(3)摒弃传统的土建现场“湿法”施工, 变现场浇筑、砌筑为工厂标准化生产后, 到现场按标准工艺快速拼装, 缩短施工周期。净化施工现场,减少施工期粉尘、噪音、污水污染及水资源消耗。(4)便于加工、减少安装工作量和安装误差,构件外形力求简洁, 构造措施简单。

1.2 结构构造

轻量化预制装配式箱变基础由2 块预制底板、4 块预制侧墙板、2 块预制端墙板及上部4 块L 型人行板和2 块直线型人行板组成[3], 每个部件均为平板式预制构件, 以630kV 箱变基础为例, 构件拆分信息如表1 所示, 结构三维爆炸示意如图1 所示。

表1 630kV 装配式箱变基础构件信息Tab.1 Components information sheet of 630kV assembly foundation for box-type electric substation

图1 轻量化预制装配式箱变基础爆炸示意Fig.1 Explosion diagram of assembly lightweight foundation for box-type electric substation

轻量化预制装配式箱变基础各预制板件通过螺栓实现全干法快速拼接, 其中底板在安装有侧板及端墙板处外伸插筋, 插筋端部车丝, 其连接原理是带螺纹的钢筋穿过墙板中预埋的连接件,借由垫板、螺帽锁紧底板与墙板, 连接件在墙体内侧开有150mm ×150mm 的安装手孔, 墙板安装完成后采用自密实混凝土进行封堵, 连接件的套管灌浆仅考虑对螺栓的保护作用, 此种连接方式已在装配式建筑剪力墙的连接中有相关的研究与应用(图2a)[4,5], 此外底板与墙板接触面设置为粗糙面, 底板沿墙板内外侧开有凹槽, 嵌入防水胶条后, 坐浆进行找平后安装墙板, 进而增加了结构整体性和防水性能。

预制端墙板与侧墙的连接同样采用在板件连接处预埋螺纹套筒实现螺栓连接(图2b), 各板件间接缝处均设有防水胶条, 同时可在接缝处外侧附加一道防水卷材来增强结构的防水效果。

预制底板、预制侧墙板的中间拼缝采用一种新型企口搭接节点(图2c)[6], 采用连接钢板通过螺栓连接两块预制板, 上部采用自密实混凝土封闭找平, 板件的企口及上部钢板延长了渗水路径, 有利于提高拼接板缝处的防水能力。

图2 轻量化预制装配式箱变基础连接节点示意Fig.2 Connection node diagram of assembly lightweight foundation for box-type electric substation

结构上部的L 型人行板与直线型人行板为检测人员提供操作平台, 同时可增加产品美观性,构件的连接同样采用螺栓安装于墙板上, 此时墙板的吊装孔可兼作安装孔, 实现一孔多用。

2 结构分析

2.1 结构整体受力分析

箱变基础属于半地下结构, 基底埋深约0.8m,以630kV 箱变基础为例进行结构整体受力分析。结构所受荷载除自重外还包括水土压力P、上部箱变线荷载G, 人行板的均布荷载Q及基地反力F, 如图3 所示。采用Midas Gen 对其进行有限元分析,为充分考虑周围土对结构的影响, 采用“面弹性支承”中的“弹性连接”模拟土弹簧作用, 特性均为“只受压”。考虑板件间均为螺栓连接, 在拼接处对板端约束进行释放, 荷载及约束释放如图4 所示。

结构整体受力分析各项结果云图见图5。

图3 计算简图Fig.3 Calculation sketch

图4 荷载及约束释放示意Fig.4 Schematic diagram of load and restraint release

图5 结构整体受力分析结果Fig.5 Structural force analysis results

由位移云图可以看出, 结构最大变形为竖向1.37mm, 变形较小, 满足使用要求。由结构剪力及弯矩云图可以看出, 结构节点平均最大剪力为15.4kN, 最大剪力部位为底板与墙板拼接处, 最大弯矩为10.84kN·m, 出现在底板拼缝处, 根据分析结果依据相关规范[7]进行结构配筋计算, 采用12@250 双层双向布置即可满足使用要求。

2.2 关键节点验算

依据《钢结构设计标准》(GB50017—2017)中11.4.1 条规定对结构拼接处的关键节点进行验算[8], 以底板插筋连接处为例, 其中插筋采用20 钢筋, 端部车丝。插筋所受的剪力和拉力为从结构整体分析中得出, 计算未考虑拼缝坐浆对抗剪的贡献。

受剪承载力验算:

轴向受拉承载力验算:

同时承受剪力和杆轴方向拉力时, 承载力验算:

式中:nv为受剪面数目;d、de为插筋的直径和有效直径;为插筋的抗剪和抗拉强度设计值;Nv、Nt为插筋所承受的剪力和拉力;为插筋的抗剪和抗拉承载力设计值。

经验算底板与墙板的插筋连接满足使用要求, 结构其他关键节点参照上述原则进行计算,各项指标均可满足设计及使用要求。

2.3 结构抗浮稳定性验算

依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)中5.4.3 条规定以630kV 箱变基础为例进行结构抗浮稳定性验算[9], 由表1 可知基础自重Gk为157.2kN。

浮力作用值为:

抗浮验算:

3 工程应用

轻量化装配式箱变基础已在多个项目进行了工程试点应用, 总体施工时间可控制在2 ～3 小时内, 实现了“傍晚开槽, 快速安装, 连夜回土,天明还路”的设计目标, 取得了良好的应用效果。工厂试拼装情况如图6 所示, 现场安装情况如图7 所示, 将试点工程应用与传统的现浇钢筋混凝土基础和整体预制基础进行综合比较, 对比情况见表2。

图6 工厂试拼装情况Fig.6 Factory trial assembly situation

图7 现场安装情况Fig.7 Site installation

通过轻量化装配式箱变基础与传统的现浇混凝土基础和整体预制基础的综合性比较, 可以看出装配式箱变基础在构件重量、生产运输、施工方式、施工时限、产品成本等方面具有较大优势, 轻量化装配式箱变基础的单构件重量为整体预制基础环状墙体的1/6, 施工时限比传统的现浇混凝土基础节约6.5d, 工期大大缩短, 降低了工人的劳动强度, 提高了施工效率。

表2 现场浇筑、整体预制与轻量化预制综合对比Tab.2 Comprehensive comparison of on-site pouring,overall prefabrication and lightweight prefabrication

4 结语

轻量化预制装配式箱变基础与传统现浇和砌筑的箱变基础相比, 在施工周期、产品质量、环境影响等方面均有较大优势, 与整体预制的箱变基础相比更便于生产和运输, 可有效节约成本。轻量化的拆分方式可尝试应用于其他电力部品部件, 如电缆井、环网柜基础等, 同时新型的板板连接节点可借鉴应用于其他地下结构、房建、水利等领域。随着项目的不断开展和研究的不断深入, 相信轻量化预制装配式基础将成为今后电力工程的主流发展趋势。