變電站通用GIS設備基礎方案及其設計應用

馮 鵬 季 鵬 黃 崢 丁靜鵠 張大長

(1.江蘇海能電力設計咨詢有限責任公司，江蘇 南京 210028；2.南京工業大學土木工程學院，江蘇 南京 210016； 3.國網江蘇省經濟技術研究院，江蘇 南京 210008)

0 引言

隨著國家電網公司通用設備“四統一”標準的不斷深化應用，輸變電工程電氣設備的通用互換性不斷顯著提升，對加快設計和施工進度，減少備品備件數量，提高工程建設質量、效率和效益起到了明顯的作用。由于國內各GIS設備供應商產品技術方案的客觀差異，目前尚未形成統一、詳細、可用的GIS設備基礎埋件標準。現行《通用設備》中對GIS設備基礎埋件的設計作出了相應規定，但在多年來的工程應用中實際效果不理想，很大程度上制約了GIS設備通用互換性的進一步提升。

近年來隨著國民經濟的日益發展，各行業的用電需求顯著增加，高增長的用電需求不僅對電網智能化提出了新的挑戰，同時對變電站的數量和模塊化建設水平提出了新的要求。國家電網通用設備“四統一”標準的應用雖然一定程度上加快了變電站建設的設計和施工進度，但設計的科學性和施工進度仍然存在較大的改進空間。因此，加快研究標準化設計、形成統一的GIS設備基礎埋件方案，是持續推動變電站模塊化建設水平的必要條件。

1 變電站GIS設備基礎通用做法的現狀

1.1 現行GIS設備基礎的設計方案

變電站建設過程中，設計人員根據廠家提資確定埋件的具體位置，并根據二次澆筑面層的高度設置鋼筋混凝土支墩，支墩大小一般為300 mm(寬)×L(MJ長度+2×150 mm)。混凝土支墩需與結構樓面有效錨固，在混凝土支墩上埋設矩形預埋件，矩形預埋件上焊接橫向設備基礎埋件，一般采用14號～20號槽鋼，槽鋼上部與GIS設備底座焊接。

1.2 現行設計施工方法存在的問題

1)施工難度高，精度難以保證。由于GIS設備重要性極高，為保證設備的順利安裝、正常運行及使用，對GIS設備基礎的整體性、結構強度、施工誤差等要求均較常規工程高；在澆筑混凝土支墩、埋設矩形預埋件時，需用振動棒振搗混凝土，防止混凝土離析影響施工質量，該過程對模板及預埋件產生擾動，導致預埋件或模板產生移動。

2)夾層輕質混凝土易造成混凝土面層開裂。隨著變電站電氣設備的發展，電氣專業要求電纜溝深度逐漸加深，導致GIS室結構層以上的輕質混凝土面層高度抬高，對土建設計施工帶來挑戰。

現階段變電站建設過程中，二次澆筑的混凝土面層一般大于300 mm；由于設備埋件一般采用實腹構件，導致輕質混凝土面層鋼筋網片、管線等無法穿過，給現場施工帶來不便。現場施工時，一般將鋼筋網片于橫向埋件阻礙處截斷，降低了輕質混凝土面層的抗裂能力，變電站長期投運下，輕質混凝土面層會出現開裂現象，給運行維護帶來安全隱患。

2 新型變電站GIS設備基礎的設計方案

2.1 新型設計方案——通用共享型GIS設備基礎

1)110 kV GIS縱向預埋件。

為了真正解決GIS基礎埋件實施方案過度依賴設備資料的現狀，實現提前設計、提前施工，提高工程建設效率，該項目提出的基本思路為先施工樓面結構層，確定并預留一次電纜孔，在預備設置埋件處預留12 mm厚縱向鋼制預埋件。如圖1所示，設計長度為1.0 m和1.5 m的預埋標準件，并根據工程實際長度需要進行拼裝，同時設置10 mm寬拼裝縫，以滿足變形及精度調整要求；標準件之間用10 mm厚鋼板連接，以滿足接地要求。預埋件寬度設置為230 mm尺寸，相鄰間隔共用一塊預埋件；預埋件內設置φ50@250 mm的溢漿孔，以保證埋件下混凝土振搗密實。

2)220 kV GIS縱向預埋件。

為了方便組裝及精度調整，預埋標準件長度與110 kV GIS基礎相同，同樣根據實際長度進行拼裝。如圖2所示，預埋標準件長度為1.0 m和1.5 m，設置10 mm寬拼裝縫，并用10 mm厚鋼板連接，以滿足接地要求。由于220 kV設備及荷載均較大，預埋件寬度設置為150 mm尺寸，各間隔采用兩條單獨預埋件；預埋件內設置φ50@250 mm的溢漿孔。

3)GIS橫向埋件。

如圖3所示，橫向埋件由蜂窩梁①和兩個鋼支墩②在工廠進行預拼裝而成，支墩高度根據輕質混凝土面層高度進行調節。

在施工時，縱向預埋件可在電氣設備資料提供前，沿設備方向埋設于樓板結構中，每一設備間隔至少埋設兩根縱向預埋件，縱向預埋件平行且間隔布置，因此可以覆蓋所有橫向設備基礎可能安裝的位置，設備資料提供后，將GIS橫向埋件鋼支墩與縱向預埋件焊接，實現GIS設備資料提供前進行變電站結構施工的目標，利于節約建設工期，保障工程質量。

2.2 新型方案需要解決的關鍵技術

1)基礎埋件的蜂窩梁。為了解決鋼筋網片、電纜和管線無法穿過橫向預埋件的問題，提高輕質混凝土面層的抗裂能力，提出了橫向埋件采用蜂窩梁的形式。采用H型鋼或普通工字鋼在腹板上按一定的折線切割后進行錯位焊接，制成蜂窩梁。

與實腹梁相比，在承載力基本相同的情況下，蜂窩梁可節約鋼材25%以上，有效地減輕了結構自重；鋼筋網片、電纜管線等均可穿越蜂窩孔洞，有利于輕質混凝土面層的施工(見圖4)。

2)承載力設計要點。GIS設備安裝架設在蜂窩梁上，承受GIS設備自重產生的靜力荷載；同時，在服役過程中，會因斷路器開關開合操作產生動荷載，可能在預埋件上產生上拔力，以及動荷載與設備荷載疊加產生更大的豎向下壓力。因此，需要驗算相應荷載下埋件強度。

3)埋件定位及預埋。根據GIS設備資料，首先預埋錨固與結構層中的帶狀鋼板預埋件；然后，將GIS橫向埋件標準件沿帶狀鋼板定位并進行可靠焊接。

4)GIS設備基礎與埋件的連接。設備架設于蜂窩梁上面，GIS設備與埋件采用現場角焊縫形式連接，由GIS設備廠家進行安裝并焊接。

5)GIS設備的接地。蜂窩梁基礎的標準節段間均采用12 mm厚鋼板連接，并與接地網相連；根據GIS設備接地點位置，由設備基礎引出接地點與設備接地件可靠連接。

3 蜂窩梁式GIS預埋基礎方案設計分析

3.1 110 kV GIS設備基礎的設計分析

根據相關研究表明，六邊形孔與圓形孔的蜂窩梁臨界屈曲荷載相差不大，兩者的承載能力基本相等。因此，關于六邊形蜂窩梁腹板開孔要求，可以參考GB 50017—2017鋼結構設計標準6.5.2中相關構造要求，開孔率d/H(d為蜂窩孔高度，H為蜂窩梁頂至梁底總高度)宜小于0.7，相鄰蜂窩孔邊緣間的距離b不易小于梁高H的0.25倍，開孔處梁上下T形截面高度a均不宜小于梁高的0.15倍，蜂窩孔高d與T形截面高度a的比值不宜大于12。

蜂窩梁承載能力隨擴張比H/h(h為原型梁頂至梁底總高度)的增大先增加后減小。由于蜂窩梁與實腹梁相比，同等用鋼量下，蜂窩梁增大了高度，增大了抗彎剛度，達到峰值后，擴張比越大，開孔處T形截面強度越小，蜂窩梁整體承載能力越小。一般情況下，擴張比控制在1.2～1.7之間，針對本項目GIS基礎設計，擴張比取1.4左右為宜。

蜂窩梁式設備基礎需驗算蜂窩梁設備基礎埋件的抗彎強度、抗剪強度、撓度、整體穩定性、局部穩定性。

1)抗彎強度。

蜂窩梁正應力可按下式進行驗算：

式中：h0——上、下兩T形截面的形心距離；

AT1,AT2——上、下兩T形截面面積；

V1,V2——上、下兩T形截面剪力。

2)抗剪強度。

a.蜂窩梁孔腹板凈截面：

其中，ST為T形截面的面積矩，當形心位于腹板內時，取中性軸以上部分面積對中性軸的面積矩，當形心位于翼緣內時，取腹板自由端至翼緣內表面之間腹板面積對形心軸的面積矩；IT為空腹處T形截面的截面慣性矩。

b.蜂窩梁孔之間腹板對接焊縫。

孔間的水平連接焊縫需用對接焊縫焊透，焊縫所承擔的剪力T為：

對接焊縫的剪應力按截面平均應力驗算，即：

3)蜂窩梁撓度。

當擴張比不大于1.5時，撓度可以近似按與蜂窩梁實腹部分等截面實腹梁的彎曲撓度乘以撓度放大系數來計算，放大系數可取1.4。

蜂窩梁設備基礎整體穩定性、局部穩定性可按與蜂窩梁等截面的實腹梁進行驗算。型鋼支墩的截面強度、型鋼支墩與蜂窩梁焊接焊縫、型鋼支墩與預埋件焊縫強度均按照GB 50017—2017鋼結構設計標準中相關規定計算。

3.2 220 kV GIS設備基礎的設計分析

220 kV基礎方案在設計原理上與110 kV基礎方案相同，不同之處僅在于110 kV基礎方案中相鄰間隔共用一條縱向預埋件，而220 kV基礎方案中不共用縱向預埋件，前者的縱向預埋件寬度稍大于后者的寬度。所以220 kV基礎方案的設計計算方法與110 kV相同，這里不再贅述。

3.3 與傳統方案對比

1)傳統方案中的橫向預埋件阻礙了輕質混凝土面層鋼筋網片、電纜和管線的正常通過，給施工帶來了很大不便。新型蜂窩梁式基礎方案解決了傳統方案施工中必須將鋼筋網片在橫向埋件處截斷的問題，提高了輕質混凝土面層的抗裂能力，有助于保證變電站在長期投運下避免輕質混凝土層開裂。

2)縱向預埋件上溢漿孔的設計不僅有助于增加混凝土振搗密實度，同時在很大程度上降低了混凝土振搗對縱向預埋件偏移的影響，更好地滿足GIS設備對縱向埋件位置精準度的要求。

3)蜂窩梁橫向埋件相比較于傳統橫向埋件更節約鋼材，這得益于蜂窩梁優異的力學性能，在與實腹梁基本相同承載力的情況下，可節約鋼材達25%。

4)縱向埋件的長度可由工程需要確定，條狀連續化設計可以覆蓋所有GIS設備可能埋設的位置，同時可根據實際工程對輕質混凝土填充層高度的需要，調整H型鋼支墩的高度。因此GIS室樓板澆筑和養護等工序不必滯后于電氣設備資料，可實現提前施工，縮短建設工期。

4 結論

基于上述戶內變電站GIS基礎埋件的深化研究，可得出如下結論：

1)對比了現行變電站的設計施工過程、國網公司推廣的通用設備方案，提出一種新型的蜂窩梁式通用基礎埋件方案。

該方案無需等待設備資料再澆筑樓板面層，從而使整個施工、竣工工期提前，可有效保障工程質量、使提前送電成為可能。

2)分析了GIS設備基礎設計驗算的荷載條件，以及蜂窩梁的強度設計方法；針對220 kV淳西變的GIS設備基礎進行驗算分析。

3)新型GIS設備基礎方案提升了埋件承載能力、方便了輕質混凝土層鋼筋的敷設，實現了變電工程基礎設計的標準化、模塊化，符合當前電力設計行業的大趨勢。