人字構架預應力裝配式基礎設計

王 燦， 李景哲， 高奔浩， 胡子明， 王靜峰

(1.國網安徽省電力有限公司經濟技術研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

變電站構架基礎是變電站建設的核心環節之一,現有基礎形式多為鋼筋混凝土階梯式獨立基礎,基礎施工多采用現場澆筑的濕作業方式。但隨著變電站建設的迅速發展,其對土建工程的施工質量、建設周期、工程投資、節能環保等提出了更高的要求,傳統濕作業方式制約了變電站建設的快速發展。另外,電力生產大修、技改工程等項目由于必須滿足供電可靠性要求,應盡可能縮短停電時間,故現澆基礎更不適用于大修、技改這種對工期要求非常嚴格的項目。2006年,國家電網公司提出了建設資源節約型、環境友好型、工業化(簡稱“兩型一化”)變電站的要求。預制裝配式基礎結構受力明確,裝配式基礎通過模塊化,能夠實現構件的工廠化預制,不受天氣、環境等因素影響,制造速度快,構件質量可靠。同時,能夠實現現場裝配化施工,工序簡單、施工快捷,施工質量可控,特別適用于電力生產大修、電力搶修、技改工程、停電過渡,或氣候條件較差、施工期較短的地區,例如北方嚴寒地帶、冬季施工、南方汛期等。因此,裝配式結構在變電站建造中有著良好的應用前景。

目前,國內外許多學者已經相繼開展了對變電站裝配式基礎的研究開發。國家電網江蘇省電力公司的李志明[1]、浙江電聯工程技術有限公司的章立鷹、朗金權、孫有聚[2]、國家電網湖北送變電工程有限公司的趙琦、姚鵬、彭威銘[3]等學者相繼研究了便于加工、運輸、安裝、拆除的裝配式基礎,并且也將研究成果應用到了搶險工程中,取得良好的經濟效果。

本文首先以某220 kV變電站為切入點,使用 MIDAS軟件建立其有限元模型,綜合考慮荷載實施條件以及進行構架力學分析的荷載效應組合,提取得到不同基礎頂面的荷載;在此基礎上,綜合考慮加工、運輸以及施工吊裝等因素,確定裝配式基礎中各個模塊的詳細參數,包括尺寸和重量等參數;最后,參考混凝土材料摩擦理論、預應力結構相關規范及法蘭連接相關規范確定裝配式基礎的預應力筋布置參數及柱腳連接法蘭盤參數。

1 人字構架預應力裝配式基礎

結合某220 kV變電站的設計資料,建立了如圖1所示的MIDAS模型,以固結的邊界條件模擬基礎部分,提取固結邊界支反力用于設計人字構架基礎。在整體基礎尺寸設計完成的基礎上,綜合考慮裝配式特點,以保證該裝配式基礎拆分模塊在加工、運輸、吊裝等方面的合理性。

圖1 某220 kV變電站構架MIDAS模型圖

1.1 裝配式基礎荷載取值

根據電力規劃設計院編寫的《變電站建筑結構設計技術規程》的規定,選取運行、安裝、檢修及地震工況為承載能力極限狀態的基本組合,對比各荷載組合工況下固結邊界的支反力,分別選取受拉和受壓最大值用于整體現澆人字構架基礎的設計,見表1。

表1 不同基礎頂部受拉和受壓最大作用力

1.2 裝配式基礎拆分方案

基于行業現狀,綜合考慮加工、運輸、吊裝、安裝和抗沖切因素,裝配式基礎分塊方案應當滿足以下要求:

(1) 裝配式基礎的分塊方案,應當以標準化為原則,便于模板的架立和安裝,避免異形構件和大量留出鋼筋。

(2) 為了保證預制構件的養護水平,提升構件質量,應當考慮大體積混凝土養護內外不均勻的問題,盡量采用小體量的分塊方案。

(3) 預制構件的運輸是影響構件尺寸的重要因素。通常來說,盡量通過常規的運輸方式進場,以降低預制構件的運輸成本。

(4) 盡量保證吊裝作業的施工高度在地平面以下,以忽略風對吊裝的影響。

(5) 裝配式基礎分塊方案中,分塊截面位置須與薄弱面位置不重合,以避免破壞基礎的抗沖切能力。

根據以上原則,參考張書博[4]等人的設計思路,不同基礎的預制構件類型和尺寸如圖2所示。

圖2 不同基礎預制構件類型和尺寸圖

2 人字構架預應力裝配式基礎關鍵連接參數設計

裝配式基礎設計能否成功,關鍵取決于拆分模塊間的連接部位的設計成敗。對于本裝配式基礎,關鍵連接部位為模塊間的預應力筋連接和柱腳的法蘭盤連接。

2.1 裝配式基礎預應力筋布置參數

裝配式基礎在正常使用狀態下,預應力與摩擦力是相互關聯的,為了建立摩擦力和預應力的平衡關系,從裝配式基礎J-1剖面圖中抽象出YZ-A為例做受力簡圖,如圖3所示。

圖3 裝配式基礎J-1中YZ-A模塊受力簡圖

由 YZ-A 的受力平衡關系可得,預制構件間接觸面的摩擦力f與基礎底面所受基底反力合力值P相平衡。根據混凝土摩擦理論,可以根據 YZ-A 和 YZ-B 保持相對靜止狀態所需的最大靜摩擦力來反推出裝配式基礎所需預應力F1的大小,從而設計預應力鋼筋錨具組件中的配筋和布置參數。

2.1.1 接觸面間所需最大靜摩擦力計算

為了簡化計算,本文將根據經過深度和寬度修正過的地基土承載能力特征值fa確定拆分模塊基礎底面所受基底反力的合力值P,并以此確定模塊間靜摩擦力的上限值?；追戳狭χ涤嬎闳缦?

fa=150+1.6×17.5×(2-0.5)=192KPa

(1)

(2)

2.1.2 根據靜摩擦力設計預應力筋參數

根據規范[5],摩擦力與預應力的關系如下式:

f=Fmax=μF1

(3)

式中:μ為在自然狀態下混凝土材料表面摩擦系數,取值為0.60。

在正常使用狀態下,拆分模塊基礎底面所受基底壓強最大值為192 kPa,此時YZ-A構件所需的預應力F1為520 kN,YZ-1構件所需的預應力F1值為582.4 kN;考慮地震等偶然因素時,假定基底壓強瞬時達到500 kPa,此時YZ-A構件所需的預應力F1值為1 354.2 kN,YZ-1構件所需的預應力F1值為1 513.7 kN。

基礎擬采用由10根AHM9預應力螺紋鋼筋組成的預應力筋錨具組,綜合考慮預應力張拉過程中的預應力損失之后,單組預應力筋錨具組件形成的有效預應力合力為432.78 kN。故采用5組預應力筋錨具組件時,產生的預應力合力為2 163.9 kN,所能提供的最大靜摩擦力為1 298.34 kN,滿足要求,布置圖如圖4所示。

圖4 預應力鋼筋錨具布置示意圖

2.2 裝配式基礎柱腳法蘭盤連接參數

裝配式基礎柱腳構造圖如5所示,綠色的箱型法蘭盤分為上下50 mm的鋼板,上部鋼板直徑為610 mm留有螺栓孔,下部鋼板直徑為700 mm,上下鋼板通過厚度為10 mm的圓筒焊接在一起,內部焊有條形加勁肋防止局部屈曲,箱型法蘭盤下部焊接3排3列間距為200 mm,長度為1 000 mm的預埋錨筋,該部分預埋在YZ-A或YZ-1構件中;人字構架斜柱下端焊接有52 mm厚的法蘭盤,該法蘭盤和預埋箱型法蘭盤通過直徑為33 mm的法蘭盤連接螺栓進行連接。

圖5 裝配式基礎柱腳構造圖

針對裝配式柱腳,需要對以下兩個方面進行驗算:

(1)預埋箱型法蘭盤焊接錨筋的抗拔驗算;

(2)裝配式基礎柱腳法蘭連接螺栓驗算。

2.2.1 預埋法蘭盤焊接錨筋驗算

預埋法蘭盤焊接錨筋計算簡圖如圖6所示。

圖6 預埋法蘭盤焊接錨筋計算簡圖

根據混凝土規范[5]9.7.4, 受拉直錨筋錨固長度la:

(4)

根據混凝土規范 9.7.4, 受剪直錨筋錨固長度la:

la≥15d=15×33=495 mm

(5)

直錨筋錨固長度la=max{997, 495}=997 mm,則實際錨固長度取1 000 mm,滿足要求。

2.2.2 預埋法蘭盤連接螺栓驗算

本裝配式基礎柱腳法蘭的連接采用的是剛性異形法蘭連接,徐嘉毅等[6]通過數值分析方法研究了不同傾斜角θ的剛性異形法蘭連接的力學性能,結果表明,剛性異形法蘭連接的傾斜角θ對其受力性能并沒有造成很大的影響,所以本文的手工驗算就不考慮傾斜角的影響,斜柱腳法蘭螺栓受力示意圖如圖7所示。

圖7 斜柱腳法蘭螺栓受力示意圖

(1) 螺栓抗拉驗算。本節使用4.6級普通螺栓,螺栓鋼材的屈服點σs1=240 MPa,螺栓截面有效截面積為816 mm2,結構安全系數取為1.5,則法蘭螺栓許用抗拉承載力:

(6)

本柱腳采用20個法蘭螺栓,僅計算軸向抗拔時,螺栓所受拉力為:

(7)

由于N1t≤[N1t],則僅考慮軸向抗拔時,螺栓強度滿足要求。

考慮彎矩所產生的螺栓拉力時,假定彎矩所產生的拉力僅由最外側的一個螺栓承受,該螺栓所產生的的拉力為:

(8)

由于N1t+N2t≤[N1t],則在考慮彎矩、軸力共同作用時,螺栓的抗拉強度依然滿足要求。

(2) 螺栓抗剪驗算。單個螺栓抗剪承載力為:

(9)

本柱腳采用20個法蘭螺栓,所能承受的剪力為:

Nv=137.09×20=2 741.76 kN

(10)

該柱腳剪力設計值僅僅為69.8 kN,則螺栓抗剪也滿足要求。

3 結 論

(1) 本文綜合考慮了加工、運輸、吊裝及安裝等因素,提出了一種新型預應力連接的裝配式基礎的拆分方案。

(2) 根據混凝土摩擦理論和工程常用預應力筋資料,通過地基土的最大凈反力推算接觸面所需的最大摩擦力,從而設計出預應力筋的布置參數,使其能承受正常使用及地震等偶然因素產生的荷載。

(3) 結合混凝土規范,設計了裝配式基礎的柱腳法蘭連接節點,其中包括預埋于基礎之內的箱型法蘭盤和焊接于柱底的法蘭盤,并且進行了正常使用狀態下的法蘭螺栓的受力驗算,結果表明滿足要求。