殷占全，馮　凱,林佰春,梁　勇,張曉晨

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，銀川　750000；

2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春　130021)

為了節(jié)約占地，氣體絕緣開關(guān)(GIS)設(shè)備在工程中應(yīng)用得越來(lái)越多。由于GIS設(shè)備對(duì)基礎(chǔ)沉降要求嚴(yán)格，各變電站地質(zhì)情況又大不相同，沉降差超出限制可導(dǎo)致設(shè)備損壞、變電站停運(yùn)等嚴(yán)重后果，給電網(wǎng)運(yùn)行造成嚴(yán)重事故，因此GIS基礎(chǔ)型式的選擇及設(shè)計(jì)尤為重要。GIS基礎(chǔ)體積較大，施工周期較長(zhǎng)，裂縫不易控制，成為制約整個(gè)變電站施工進(jìn)度和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

目前，國(guó)內(nèi)GIS設(shè)備基礎(chǔ)多采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土大板基礎(chǔ)，按照設(shè)備伸縮要求設(shè)置伸縮縫，同時(shí)兼做設(shè)備的安裝平臺(tái)。由于設(shè)備長(zhǎng)，混凝土板很厚，混凝土現(xiàn)澆工作量非常大,作為大體積混凝土施工，表面很容易產(chǎn)生微裂紋，對(duì)于感官質(zhì)量影響很大。GIS設(shè)備基礎(chǔ)如采用預(yù)制裝配式，將大體積混凝土分體，在工廠加工或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，減小單件混凝土體積，可以加快現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工速度。

1　GIS設(shè)備基礎(chǔ)常用結(jié)構(gòu)型式

GIS組合電器常用厚板式基礎(chǔ)、梁式筏板基礎(chǔ)、支墩式筏板基礎(chǔ)、箱型基礎(chǔ)等型式。

1.1　厚板式基礎(chǔ)

a.施工過(guò)程。根據(jù)設(shè)備基礎(chǔ)外形尺寸，開挖基坑，以分隔縫為界分割成幾個(gè)施工段，澆筑墊層，支設(shè)模板綁扎鋼筋，澆筑混凝土，拆除模板，養(yǎng)護(hù)。

b.性能特點(diǎn)。剛度大，整體承受不均勻沉降的能力較強(qiáng)，表面為一個(gè)整體平臺(tái)，滿足了設(shè)備安裝精度和平整度的要求，是比較通用的基礎(chǔ)形式。

c.缺點(diǎn)。對(duì)于這種大體積混凝土，混凝土凝固過(guò)程中水化熱影響較大，裂縫不易控制。為了精確定位GIS設(shè)備預(yù)埋件，混凝土需分多次澆筑，屬于長(zhǎng)間歇大面積薄層混凝土澆筑。與上部GIS設(shè)備荷載相比較，基礎(chǔ)自重占比很大，使基底應(yīng)力加大，地基處理成本較高。

d.適用條件。適用于地質(zhì)條件較好，工期安排合理的變電站工程。

1.2　梁式筏板基礎(chǔ)

梁式筏板基礎(chǔ)由鋼筋混凝土筏板下設(shè)縱橫鋼筋混凝土梁組成。

a.施工過(guò)程。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，沿著橫、縱向基礎(chǔ)梁方向開挖基槽，澆筑梁墊層，支設(shè)基礎(chǔ)梁模板，綁扎基礎(chǔ)梁鋼筋，澆筑混凝土，拆除梁模板，養(yǎng)護(hù)并對(duì)梁周邊回填土夯實(shí)，澆筑上部薄板下墊層，支設(shè)上部板模板，綁扎板鋼筋，澆筑板混凝土，拆除模板，養(yǎng)護(hù)。

b.性能特點(diǎn)。梁式筏板基礎(chǔ)由筏板與梁協(xié)同工作，整體剛度大，筏板厚度降低，可以有效避免施工期間的溫度裂縫，明顯提高與GIS設(shè)備溫度變形的協(xié)調(diào)性；伸縮縫之間各段筏板基礎(chǔ)的整體剛度均勻連續(xù)，可以保證結(jié)構(gòu)變形滿足工藝要求；基礎(chǔ)表面為一個(gè)整體平臺(tái)，較好地滿足了設(shè)備安裝的精度和平整度的要求?；A(chǔ)有效厚度減少，基底附加應(yīng)力降低，從而減少地基處理工程量，降低成本。

c.缺點(diǎn)。基礎(chǔ)梁板混凝土需分兩次澆筑，單位體積配筋率大，施工工藝比較復(fù)雜，模板工程量大，對(duì)地基承載力要求較高，施工工期比較長(zhǎng)。

d.適用條件。適用于地質(zhì)條件較差的地區(qū)，可以有效減少地基處理工程量。

1.3　支墩式筏板基礎(chǔ)

圖1　焊接連接方案

支墩式筏板基礎(chǔ)由筏板及支墩組成。

a.施工過(guò)程。按照基礎(chǔ)外形尺寸開挖基坑，支設(shè)底部筏板模板，綁扎鋼筋，澆筑筏板混凝土，拆除模板養(yǎng)護(hù)，支設(shè)支墩模板，澆筑支墩混凝土，拆除模板養(yǎng)護(hù)。

b.性能特點(diǎn)。支墩式筏板基礎(chǔ)筏板厚度相對(duì)較小，混凝土體積不大，施工方便，可以明顯提高與GIS設(shè)備溫度變形的協(xié)調(diào)性；伸縮縫之間各段筏板基礎(chǔ)的整體剛度均勻連續(xù)，可以保證結(jié)構(gòu)變形滿足工藝要求，可以有效避免施工期間的溫度裂縫；由于支墩式筏板基礎(chǔ)厚度減少，基底自重明顯降低，從而減少地基處理工程量，降低成本。

c.缺點(diǎn)。支墩式筏板基礎(chǔ)不能滿足設(shè)備安裝的平整度要求，地面需進(jìn)行二次硬化處理，支墩間需回填土，回填土施工質(zhì)量不易控制。同時(shí)支墩數(shù)量眾多、尺寸繁瑣，施工精度不易控制，模板支護(hù)工程量、單位體積配筋率大，施工工期比較長(zhǎng)。

d.適用條件。66～750 kV GIS基礎(chǔ)均可以使用此基礎(chǔ)形式，但不適用1 000 kV GIS設(shè)備基礎(chǔ)。

1.4　箱型基礎(chǔ)

箱型基礎(chǔ)是由鋼筋混凝土的底板、頂板和縱橫墻體組成的整體結(jié)構(gòu)。

a.施工過(guò)程。按照基礎(chǔ)外形尺寸開挖基坑，澆筑墊層，綁扎箱型基礎(chǔ)底板鋼筋，澆筑箱型基礎(chǔ)底板，支設(shè)箱型基礎(chǔ)內(nèi)模板，綁扎箱型基礎(chǔ)肋板鋼筋，澆筑肋板混凝土，綁扎頂板鋼筋，澆筑頂板混凝土，拆除模板養(yǎng)護(hù)。

b.性能特點(diǎn)。箱型基礎(chǔ)能夠有效減小基底自重，基礎(chǔ)剛度極大，節(jié)省混凝土，能夠更好地控制沉降量。箱型基礎(chǔ)最大厚度0.5 m，混凝土凝固時(shí)水化熱能迅速消散；基礎(chǔ)表面為一個(gè)整體平臺(tái)，較好地滿足了設(shè)備安裝的精度和平整度的要求。箱型基礎(chǔ)內(nèi)空間能夠被合理利用。

c.缺點(diǎn)。該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)鋼筋綁扎和模板施工提出較高要求，因此投資費(fèi)用較高。

d.適用條件。適用于地質(zhì)條件較好，干旱少雨地區(qū)，可應(yīng)用于特高壓變電站工程。

2　裝配式GIS基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

結(jié)合我國(guó)西北某750 kV變電站中750 kV GIS設(shè)備情況，在施工圖中確定了基礎(chǔ)采用底部筏板加上部支墩形式，底部筏板現(xiàn)場(chǎng)澆制，上部支墩考慮預(yù)制，因此支墩與底部筏板的連接構(gòu)造需通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算驗(yàn)證可行性。

根據(jù)GIS設(shè)備安裝要求，墩式基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板埋件或后植化學(xué)錨栓或預(yù)埋地腳螺栓連接。依據(jù)GIS基礎(chǔ)的受力及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，裝配式基礎(chǔ)與大板連接組裝可行方案如下。

2.1　焊接連接方案

在大板基礎(chǔ)上表面及墩式基礎(chǔ)下表面對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋鋼板，待預(yù)制墩式基礎(chǔ)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，通過(guò)焊接方式實(shí)現(xiàn)二者對(duì)接(見圖1)。該方案的優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)GIS墩式基礎(chǔ)站外預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)定位方便。缺點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)焊接，需對(duì)焊縫做防腐處理。

2.2　地腳螺栓連接方案

地腳螺栓連接方案見圖2。該方案優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)組裝不受環(huán)境影響，安裝方便。缺點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋地腳螺栓要求定位精度較高。

圖2　地腳螺栓連接方案

2.3　螺栓連接方案

螺栓連接方案見圖3。該方案優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)組裝不受環(huán)境影響，安裝方便。缺點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋件要求精度高，大板基礎(chǔ)二次放階，支模復(fù)雜。

圖3　螺栓連接方案

3　裝配式GIS基礎(chǔ)試驗(yàn)及分析

3.1　理論計(jì)算分析

GIS設(shè)備的隔離開關(guān)、斷路器基礎(chǔ)預(yù)埋件的設(shè)計(jì)要求見表1。

表1　隔離開關(guān)、斷路器基礎(chǔ)預(yù)埋件的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)GIS中主要設(shè)備特點(diǎn)，對(duì)地腳螺栓連接、焊接連接、螺栓連接3種連接方式進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證上述裝配式基礎(chǔ)的可實(shí)施性。為保證結(jié)構(gòu)安全、連接可靠以及運(yùn)行設(shè)備正常、平穩(wěn)工作，在施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求制作模型基礎(chǔ)進(jìn)行水平加載試驗(yàn)，以獲得此類連接方式的承載能力，最終在變電站GIS設(shè)備基礎(chǔ)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

3.1.1焊接連接

a.鋼板焊縫。在支座頂部水平荷載V作用下，僅考慮支座角部處平行于剪力方向的一條焊縫，其承受剪力V1、拉力N1(或壓力-N1)，其中在拉力N1作用下，焊縫所受平均應(yīng)力σaver、端部最大正應(yīng)力σmax分別為：

σaver=N1/(he×lw)

(1)

σmax=σaver×8/7

(2)

在剪力V1作用下，焊縫所受剪應(yīng)力τf：

τf=V1/(he×lw)

(3)

式中：he為角焊縫計(jì)算厚度；lw為角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度；N1=V/2，V1=V/4。

經(jīng)計(jì)算，考慮鋼板焊縫的水平荷載V≤111.4 kN。

b.角鋼錨筋(4C12)。一側(cè)角鋼受拉力N2、剪力V2、彎矩M2，另一側(cè)角鋼受壓力-N2、剪力V2、彎矩M2。保守起見，均按受拉力N2、剪力V2、彎矩M2考慮。

(4)

式中：As為錨筋的總截面面積；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；V2為剪力設(shè)計(jì)值，取V/2；N2為法向拉力設(shè)計(jì)值，取V/4；M2為彎矩設(shè)計(jì)值；αr為鋼筋層數(shù)影響系數(shù)；αv為錨筋的受剪承載力系數(shù)；αb為錨板的彎曲變形折減系數(shù)；z為沿剪力作用方向最外層錨筋中心線之間的距離[1]。

經(jīng)計(jì)算，考慮角鋼錨筋的水平荷載V≤115.9 kN。

c.鋼板錨筋(4C12)。一側(cè)角鋼受拉力N3、剪力V3、彎矩M3，另一側(cè)角鋼受壓力-N3、剪力V3、彎矩M3。為保守起見，均按受拉力N3、剪力V3、彎矩M3考慮。

(5)

式中：V3為剪力設(shè)計(jì)值，取V/2；N3為法向拉力設(shè)計(jì)值，取V/4；M3為彎矩設(shè)計(jì)值。

所以，考慮鋼板錨筋的水平荷載V≤100.6 kN，焊接連接的水平荷載最大值Vmax=100.6 kN。

3.1.2地腳螺栓連接

考慮單個(gè)螺栓同時(shí)受剪力、彎矩作用：

(6)

所以，考慮地腳螺栓的水平荷載V≤254.4 kN[2]。

b.角鋼錨筋(C12@150 mm)。一側(cè)角鋼受拉力N2、剪力V2、彎矩M2，另一側(cè)角鋼受壓力-N2、剪力V2、彎矩M2。為保守起見，均按受拉力N2、剪力V2、彎矩M2考慮。

(7)

式中：V2取7V/9；N2取V/2。

所以，考慮角鋼錨筋的水平荷載V≤174.1 kN，地腳螺栓連接的水平荷載最大值Vmax=174.1 kN。

3.1.3螺栓連接方式

考慮單個(gè)螺栓同時(shí)受剪力、彎矩作用：

(8)

經(jīng)計(jì)算，考慮螺栓的水平荷載，V≤232.5 kN。

b.焊縫。在支座頂部水平荷載V作用下，為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮平行于剪力方向的焊縫，其承受剪力V1(V/4)、拉力2N1(或壓力-2N1)，其中N1=0.391V(認(rèn)為螺栓受力均為邊緣處的最大拉力)。

(9)

經(jīng)計(jì)算，考慮螺栓的水平荷載V≤187.5 kN，上下埋件螺栓連接方式的水平荷載最大值Vmax=187.5 kN。

從上述3種連接方式的理論計(jì)算可以看出，地腳螺栓連接與螺栓連接方式，水平抵抗力較強(qiáng)，且大小相當(dāng)，焊接方式抵抗力只有其他2種方式的40%。

3.2　3種不同連接方式的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

對(duì)于已預(yù)制好的支墩，由工人現(xiàn)場(chǎng)安裝并采用相應(yīng)連接方式。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，采用手動(dòng)千斤頂進(jìn)行加載，并由力傳感器(量程300 kN)及數(shù)顯裝置對(duì)施加荷載進(jìn)行監(jiān)測(cè)；再對(duì)一側(cè)支座進(jìn)行試驗(yàn)，由鄰近支座作為千斤頂?shù)姆戳ρb置。

為保證試驗(yàn)安全及結(jié)果可靠，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)采用分級(jí)加載，并在支座的兩側(cè)安排人員對(duì)可能出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)監(jiān)測(cè)，著重觀察焊縫開裂、螺栓產(chǎn)生較大變形以及地基隆起、開裂等現(xiàn)象。裝配式支座采用焊接連接、地腳螺栓連接及螺栓連接3種方式。

a.焊接連接方式。隨著水平荷載的分級(jí)Vu增加，當(dāng)加載至Vu=109.6 kN時(shí)，支座底部受拉側(cè)混凝土出現(xiàn)水平裂縫并迅速擴(kuò)展，此時(shí)水平荷載不再增加而裂縫區(qū)域不斷增大；加載至破壞時(shí)，角鋼連接處焊縫較為完好，但角鋼內(nèi)部與支座混凝土產(chǎn)生較大縫隙。

b.地腳螺栓連接方式。采用地腳螺栓連接的支座在試驗(yàn)過(guò)程中加載最大至Vu=119.6 kN時(shí)，試件未發(fā)生破壞，承載力較高。雖然本試驗(yàn)中預(yù)埋件角鋼未發(fā)生變化，但由于角鋼較薄，如果繼續(xù)加載可能產(chǎn)生角鋼剛度不夠而產(chǎn)生變形。建議在角鋼預(yù)埋件焊接加勁肋，避免在施工安裝以及在水平推力作用下角鋼出現(xiàn)較大變形。

c.螺栓連接方式。上下埋件連接方式采用螺栓連接，當(dāng)荷載加至Vu=135 kN時(shí)基礎(chǔ)出現(xiàn)傾斜此時(shí)荷載增加幅度較小，同時(shí)基礎(chǔ)受拉一側(cè)附近的地基出現(xiàn)較寬的裂縫，最終以地基松動(dòng)而破壞。

對(duì)于焊接連接、地腳螺栓連接以及螺栓連接3種新型裝配式支座連接方式，理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)承載力均滿足設(shè)備使用要求，且裕度較大。現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)螺栓連接較易實(shí)現(xiàn)且承載力易于保證，地腳螺栓連接相對(duì)螺栓連接方式施工更簡(jiǎn)單，因此推薦地腳螺栓連接為最理想的連接方式。

4　技術(shù)與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)比較

通過(guò)對(duì)近期GIS設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的研究，提出適合工廠化加工或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制的設(shè)備基礎(chǔ)方案，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)組裝的基礎(chǔ)形式，完成了預(yù)制基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)。

4.1　裝配式GIS基礎(chǔ)的技術(shù)評(píng)價(jià)

750 kV及以下配電裝置GIS基礎(chǔ)多采用底板+支墩基礎(chǔ)型式，墩式基礎(chǔ)不進(jìn)行歸并情況下更有利于減少單個(gè)基礎(chǔ)混凝土的澆筑量，避免基礎(chǔ)產(chǎn)生裂縫；但支墩基礎(chǔ)數(shù)量多，相同尺寸的單個(gè)基礎(chǔ)較多，基礎(chǔ)重復(fù)率高，單個(gè)墩式基礎(chǔ)質(zhì)量均不大于6 t，適合站外預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)裝配。

750 kV及以下配電裝置GIS墩式基礎(chǔ)與大板基礎(chǔ)采用裝配式是可行的，連接可采用焊接連接、地腳螺栓連接、螺栓連接等方案，通過(guò)計(jì)算各方案均能滿足GIS設(shè)備對(duì)基礎(chǔ)的受力要求；建議采用地腳螺栓連接方式，更有利于現(xiàn)場(chǎng)施工。

墩式基礎(chǔ)與底板基礎(chǔ)連接方案中需加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，特別注意構(gòu)造的合理性，充分發(fā)揮基礎(chǔ)的整體受力，從而提高基礎(chǔ)的抗力水平。

4.2　裝配式GIS基礎(chǔ)的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

以寧夏某750 kV變電站為例，變電站站址距離市區(qū)較近，可選擇的商混站較多，商混單價(jià)較低，綜合考慮模板、鋼筋、預(yù)埋鐵件、成品養(yǎng)護(hù)、人工及商混運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用，750 kV GIS基礎(chǔ)每立方鋼筋混凝土的折合費(fèi)用為1 150元/m3。若采用裝配式GIS基礎(chǔ)，預(yù)制支墩?qǐng)龅剡x擇站外，運(yùn)輸距離不超過(guò)10 km時(shí)，綜合考慮裝配式基礎(chǔ)的運(yùn)輸費(fèi)用、吊裝費(fèi)用、預(yù)埋地腳螺栓費(fèi)用以及模板重復(fù)利用、降低鋼筋配筋率及人工較省等因素，折合鋼筋混凝土為980元/m3；由于裝配式基礎(chǔ)不受施工季節(jié)影響，冬季施工時(shí)可節(jié)省冬季施工費(fèi)用260×104元，可有效縮短工期35天。若預(yù)制場(chǎng)地距離站址較遠(yuǎn)(大于10 km)，運(yùn)輸費(fèi)用增長(zhǎng)非常明顯，成為控制因素，不宜采用；若預(yù)制支墩單個(gè)尺寸較大(短邊大于2 m)，質(zhì)量超過(guò)5 t，吊裝費(fèi)用增長(zhǎng)非常明顯，將成為控制因素，將不宜采用。

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可以看出裝配式GIS基礎(chǔ)時(shí)需綜合考慮以下幾個(gè)因素。

a.站內(nèi)有可提供預(yù)制的場(chǎng)地，或站外有預(yù)制場(chǎng)地，但是距離不宜超過(guò)10 km。

b.在每個(gè)預(yù)制的支墩基礎(chǔ)側(cè)面均應(yīng)設(shè)置足夠的吊環(huán)，充分考慮吊裝方便。

c.支墩基礎(chǔ)尺寸不宜過(guò)大，每個(gè)支墩質(zhì)量不宜超過(guò)5 t。

d.采用預(yù)制裝配式基礎(chǔ)時(shí)要充分考慮運(yùn)輸安裝及施工組織存在的問(wèn)題。

e.在電氣設(shè)備資料不具備條件，并且工期緊張，受工程施工季節(jié)影響時(shí)，預(yù)制裝配式GIS基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)較大。

5　結(jié)論及建議

本文研究了GIS墩式基礎(chǔ)連接的水平抵抗力，完成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出了裝配式基礎(chǔ)可以滿足設(shè)備水平受力的結(jié)論。以下方面還可以進(jìn)一步優(yōu)化研究。

a.基礎(chǔ)連接構(gòu)造、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還有很大優(yōu)化空間，可以考慮榫式連接等構(gòu)造措施；受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，試驗(yàn)與理論計(jì)算偏差較大，建議優(yōu)化設(shè)計(jì)后在試驗(yàn)室，模擬實(shí)際工作狀態(tài)，完成水平、垂直受力的研究。

b.基于GIS墩式基礎(chǔ)的裝配式實(shí)現(xiàn)，開展變電構(gòu)架基礎(chǔ)的裝配式研究工作，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、施工機(jī)械化的建設(shè)水平而努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010[S].

[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50017—2003[S].