變電站建筑物裝配式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與探討

何宇辰， 胡子明， 李景哲， 高奔浩， 王靜峰

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽 合肥 230071；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

自2007年國家電網(wǎng)公司為改進(jìn)早期變電站架構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，持續(xù)深化、細(xì)化有關(guān)技術(shù)原則和設(shè)計(jì)要求，推行“兩型一化”工程以來，國家電網(wǎng)變電站架構(gòu)及其配套建筑設(shè)施不斷向工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。2016年，國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，裝配式基礎(chǔ)以其施工快捷、安裝方便、環(huán)境友好的優(yōu)越性，可以有效縮短變電站設(shè)施建造工期，降低生產(chǎn)改造、電力搶險(xiǎn)難度，在電力設(shè)備建設(shè)的應(yīng)用及性能研究等方面已初見成效[1,2]。

變電站內(nèi)主要建筑物有主控通信樓、配電裝置樓等。作為變電站正常運(yùn)行的重要部件，與輸變電設(shè)備相比，裝配式基礎(chǔ)應(yīng)用較少。變電站建筑物基礎(chǔ)裝配化是進(jìn)一步建成智能變電站的重要一環(huán)，可以大大減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，提高結(jié)構(gòu)預(yù)制率，甚至實(shí)現(xiàn)變電站建設(shè)全裝配。本文對(duì)目前變電站建筑現(xiàn)澆基礎(chǔ)主要形式進(jìn)行整理，并提出基礎(chǔ)裝配化一般拆分設(shè)計(jì)思路。

1 變電站建筑物現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)

1.1 變電站建筑物現(xiàn)澆基礎(chǔ)現(xiàn)狀

變電站建筑物無論是主控樓還是配電裝置樓，建筑高度都較低，并且為減短施工周期，上部結(jié)構(gòu)主要采用鋼結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)形式則以淺基礎(chǔ)居多，其中柱下獨(dú)立基礎(chǔ)以其受力明確、形式簡單得到廣泛應(yīng)用。變電站建筑物現(xiàn)澆基礎(chǔ)設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)獨(dú)立基礎(chǔ)在進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)算時(shí)，上部結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)參照《變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》較一般建筑物進(jìn)行更改，但基礎(chǔ)荷載仍以壓彎為主，一般不需進(jìn)行抗拔驗(yàn)算。

(2)當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)設(shè)置混凝土基礎(chǔ)柱與鋼柱腳連接，減小柱腳埋置深度，增加地下結(jié)構(gòu)剛度。當(dāng)外露式柱腳位于地面以下時(shí)，應(yīng)澆筑素混凝土，保護(hù)柱腳不被腐蝕。

(3)基礎(chǔ)埋置較淺時(shí)，基礎(chǔ)拉梁宜設(shè)計(jì)在基礎(chǔ)頂面，以平衡不均勻沉降，承擔(dān)首層墻體荷載；當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度較深時(shí)，宜設(shè)置正負(fù)零標(biāo)高附近，但此時(shí)要考慮短柱效應(yīng)，需參照《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)算，并采取相應(yīng)構(gòu)造措施[3]。

1.2 變電站建筑物現(xiàn)澆基礎(chǔ)缺陷

(1)施工周期長。基礎(chǔ)支模，鋼筋板扎，基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)均耗時(shí)較長，僅混凝土養(yǎng)護(hù)周期就長達(dá)28 d，大大延長上部鋼結(jié)構(gòu)施工工期。

(3)資源耗費(fèi)量大。現(xiàn)澆作業(yè)對(duì)環(huán)境影響大，現(xiàn)澆基礎(chǔ)不可重復(fù)使用，資源損耗遠(yuǎn)大于預(yù)制構(gòu)件。

2 變電站建筑物裝配式混凝土基礎(chǔ)組成

柱下獨(dú)立基礎(chǔ)形式簡單，連接方式明確，變電站建筑物裝配式基礎(chǔ)可以參照獨(dú)立基礎(chǔ)形式進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，變電站建筑物裝配式基礎(chǔ)應(yīng)包含以下部件。

(1)獨(dú)立基礎(chǔ)。獨(dú)立基礎(chǔ)形式可采用階型基礎(chǔ)、錐形基礎(chǔ)、杯口基礎(chǔ)等。當(dāng)基礎(chǔ)較小、埋置深度較淺時(shí)，可將柱與基礎(chǔ)進(jìn)行整體預(yù)制；當(dāng)基礎(chǔ)埋置較深時(shí)，可將基礎(chǔ)柱與基礎(chǔ)進(jìn)行拆分；當(dāng)基礎(chǔ)尺寸過大，可將獨(dú)立基礎(chǔ)再進(jìn)行拆分，拆分方式主要包括上下拆分、水平拆分。但是實(shí)際工程中，變電站基礎(chǔ)重量一般在10 t左右，無論是吊裝還是運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)難度都較小，獨(dú)立基礎(chǔ)整體預(yù)制經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯然更好。

(2)基礎(chǔ)柱。當(dāng)鋼筋混凝土柱構(gòu)件單獨(dú)預(yù)制時(shí)，應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)形式考慮柱與基礎(chǔ)的裝配式連接，根據(jù)拉梁尺寸和節(jié)點(diǎn)形式考慮梁柱的裝配式連接，根據(jù)柱腳形式考慮鋼柱與混凝土柱的裝配式連接。

(3)拉梁。由于首層樓面一般不置于基礎(chǔ)拉梁上，基礎(chǔ)拉梁采用全預(yù)制梁。全預(yù)制梁較疊合梁避免了現(xiàn)澆作業(yè)，可以進(jìn)一步提高預(yù)制率。

3 變電站建筑物裝配式混凝土基礎(chǔ)拆分設(shè)計(jì)

變電站建筑物獨(dú)立基礎(chǔ)拆分設(shè)計(jì)思路為：基礎(chǔ)整體預(yù)制、基礎(chǔ)柱整體預(yù)制、基礎(chǔ)拉梁整體預(yù)制，采用快捷可靠的連接將各預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行連接。

要想實(shí)現(xiàn)運(yùn)用合理、快捷的方式組裝變電站建筑物裝配式混凝土基礎(chǔ)，必須對(duì)構(gòu)件和構(gòu)件之間的連接進(jìn)行必要的研究了解，所以構(gòu)件連接在裝配式建筑物的設(shè)計(jì)和施工中顯得尤為重要。

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3.1 基礎(chǔ)柱與基礎(chǔ)的裝配式連接

根據(jù)獨(dú)立基礎(chǔ)形式，可以采用傳統(tǒng)的杯口基礎(chǔ)與柱的連接，也采用套筒灌漿等預(yù)制柱的連接方式。

(1)杯口基礎(chǔ)與柱的連接。實(shí)際工程中，當(dāng)采用預(yù)制混凝土柱時(shí)常采用杯口基礎(chǔ)。這種連接方式技術(shù)較為成熟，但是施工工期較長，立柱精度難以保證，且杯口基礎(chǔ)多為現(xiàn)澆，基礎(chǔ)預(yù)制時(shí)顯然不必采用這種傳統(tǒng)的連接方式。

(2)套筒灌漿連接。預(yù)制階型基礎(chǔ)、錐形基礎(chǔ)與柱可以采用套筒灌漿連接，如圖1所示。套筒灌漿技術(shù)在預(yù)制柱連接中已運(yùn)用得較為成熟。基礎(chǔ)構(gòu)件預(yù)留插筋，施工時(shí)與柱預(yù)留灌漿套筒對(duì)接，注入灌漿料。套筒灌漿連接可以有效避免現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，且目前許多學(xué)者的研究已表明套筒灌漿連接可以有效傳遞預(yù)制柱中鋼筋的應(yīng)力[4]。

圖1 基礎(chǔ)與柱的套筒灌漿連接

3.2 基礎(chǔ)柱與預(yù)制拉梁的連接

全預(yù)制梁與柱連接的連接方式主要包括牛腿連接、螺栓連接、焊接連接等，這些連接方式同樣可以運(yùn)用到主控樓裝配式梁柱連接中，但需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。[5]

(1)牛腿連接。如圖2所示，梁的支座采用由柱子伸出的明牛腿的連接節(jié)點(diǎn)，其承載力大，受力明確。基礎(chǔ)梁埋與地下，對(duì)美觀性與空間要求寬松，明牛腿的連接方式比暗牛腿受力性能更加有利，當(dāng)基礎(chǔ)拉梁布置在階型基礎(chǔ)頂面時(shí)，可用基礎(chǔ)頂面代替牛腿。但是對(duì)于全預(yù)制梁需要采用剛性節(jié)點(diǎn)，連接梁縱筋時(shí)，這種連接方式不適合。

圖2 牛腿連接節(jié)點(diǎn)

(2)螺栓連接。如圖3所示，可以在基礎(chǔ)頂面或柱牛腿上預(yù)埋錨栓，施工時(shí)采用螺栓連接，構(gòu)件安裝簡單快捷。但一方面運(yùn)輸安裝、時(shí)需要注意保護(hù)錨栓螺紋；另一方面與牛腿連接相似，無法保證節(jié)點(diǎn)剛度。

圖3 螺栓連接節(jié)點(diǎn)

(3)焊接連接。如圖4所示，焊接連接是在梁和柱或基礎(chǔ)頂面預(yù)埋焊板，安裝時(shí)將焊板焊接。這種方式可以保證節(jié)點(diǎn)剛度，但是需要增加焊接施工作業(yè)，同時(shí)梁底面和基礎(chǔ)頂板的焊接工藝復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)在動(dòng)力荷載作用下也易于發(fā)生脆性破壞。

圖4 焊接連接節(jié)點(diǎn)

(4)新型螺栓連接。本文提出一種新型的螺栓連接方式，如圖5所示，在梁柱上預(yù)埋型鋼連接件的方式，在安裝時(shí)將型鋼之間螺栓連接，這種連接方式既可以允許鉸接，也可采用剛接。既可以保證梁水平連接的可靠，又避免了現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝，安裝快捷。缺點(diǎn)是對(duì)于預(yù)制精度要求高，節(jié)點(diǎn)的破壞模式也有待研究，施工時(shí)仍需澆筑混凝土保護(hù)型鋼連接件。但是相較于梁柱濕連接的方式，大大縮小了后澆段長度，同時(shí)螺栓連接完成后，結(jié)構(gòu)已具有強(qiáng)度，不影響之后的施工步驟。

圖5 預(yù)埋型鋼螺栓連接節(jié)點(diǎn)

3.3 基礎(chǔ)柱與鋼柱腳的連接

可以采用外露柱腳或半包柱腳，采用半包柱腳時(shí)，基礎(chǔ)混凝土柱與部分型鋼柱需要整體預(yù)制，加工工藝復(fù)雜，但是有效地避免了濕作業(yè)；采用外露柱腳時(shí)，僅需預(yù)埋錨栓，安裝工藝與現(xiàn)澆基礎(chǔ)柱腳安裝差異不大，但是依舊需要澆筑混凝土保護(hù)柱腳。

4 變電站建筑物裝配式混凝土基礎(chǔ)施工

4.1 變電站建筑物基礎(chǔ)構(gòu)件的運(yùn)輸

構(gòu)件搬運(yùn)計(jì)劃在預(yù)制結(jié)構(gòu)施工方法中非常重要，所以要認(rèn)真考慮搬運(yùn)路徑、使用車型、裝車方法等。搬運(yùn)構(gòu)件用的卡車或拖車，要根據(jù)構(gòu)件的大小、重量、搬運(yùn)距離、道路狀況等選擇適當(dāng)?shù)能囆汀?/p>

4.2 變電站建筑物基礎(chǔ)構(gòu)件的吊裝

主控樓裝配式混凝土基礎(chǔ)的吊裝應(yīng)包含吊裝前準(zhǔn)備，獨(dú)立基礎(chǔ)吊裝就位、柱吊裝安裝、預(yù)制梁的吊裝安裝等步驟，施工順序也應(yīng)是先基礎(chǔ)再柱再到梁。相較于上部結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的吊裝，裝配式基礎(chǔ)的吊裝有一些問題值得討論。

(1)吊環(huán)的布置。相較于疊合梁，裝配式基礎(chǔ)構(gòu)件的使用后需要截?cái)啵瑫r(shí)吊環(huán)鋼筋接觸鋼筋骨架時(shí)應(yīng)采用有效防銹措施[5]。

(2)支撐設(shè)置。布置在地基上的梁柱支撐要充分考慮到地基沉降的影響，采用相應(yīng)措施保障支撐穩(wěn)固可靠。

(3)連接精度。無論是柱套筒灌漿，還是拉梁的螺栓、焊接連接，對(duì)施工精度、構(gòu)件制作精度都要遠(yuǎn)高于現(xiàn)澆連接和預(yù)制構(gòu)件的濕連接，同時(shí)獨(dú)立基礎(chǔ)的不均勻沉降也會(huì)影響基礎(chǔ)的安裝。在實(shí)際工程中如何保障連接精度依然值得研究。

5 結(jié)論與展望

通過以上對(duì)變電站建筑物裝配式混凝土基礎(chǔ)拆分設(shè)計(jì)探討，可見：

(1)變電站建筑物裝配式混凝土基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的形式，基礎(chǔ)、基礎(chǔ)柱、基礎(chǔ)拉梁分別預(yù)制可以滿足很大一部分工程實(shí)際情況。

(2)變電站建筑物裝配式混凝土基礎(chǔ)采用全預(yù)制梁，并采用快捷的連接方式符合變電站建筑物基礎(chǔ)的特點(diǎn)，并能進(jìn)一步推進(jìn)變電站建設(shè)裝配化進(jìn)程。

(3)變電站建筑物裝配式混凝土基礎(chǔ)全預(yù)制拉梁,采用傳統(tǒng)的螺栓連接、牛腿連接難以保證連接剛度,采用焊接連接對(duì)受力性能和施工難度都不利，而新型的連接方式是未來研究的重點(diǎn)。

(4)以往的混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)往往采用現(xiàn)澆基礎(chǔ)，對(duì)于這種建筑高度不高又要求快速施工的變電站建筑物，裝配式混凝土基礎(chǔ)可以得到很好的應(yīng)用，但是目前對(duì)于裝配式混凝土基礎(chǔ)的研究較少，對(duì)獨(dú)立基礎(chǔ)的裝配式連接的開發(fā)和性能研究以及根據(jù)不同地質(zhì)條件提出更多不同的裝配式混凝土基礎(chǔ)形式是今后研究的主要方向。