馮 鵬 季 鵬 黃 崢 丁靜鵠 張大長

(1.江蘇海能電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210028；2.南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210016； 3.國網(wǎng)江蘇省經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210008)

0 引言

隨著國家電網(wǎng)公司通用設(shè)備“四統(tǒng)一”標(biāo)準(zhǔn)的不斷深化應(yīng)用，輸變電工程電氣設(shè)備的通用互換性不斷顯著提升，對加快設(shè)計和施工進(jìn)度，減少備品備件數(shù)量，提高工程建設(shè)質(zhì)量、效率和效益起到了明顯的作用。由于國內(nèi)各GIS設(shè)備供應(yīng)商產(chǎn)品技術(shù)方案的客觀差異，目前尚未形成統(tǒng)一、詳細(xì)、可用的GIS設(shè)備基礎(chǔ)埋件標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行《通用設(shè)備》中對GIS設(shè)備基礎(chǔ)埋件的設(shè)計作出了相應(yīng)規(guī)定，但在多年來的工程應(yīng)用中實際效果不理想，很大程度上制約了GIS設(shè)備通用互換性的進(jìn)一步提升。

近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，各行業(yè)的用電需求顯著增加，高增長的用電需求不僅對電網(wǎng)智能化提出了新的挑戰(zhàn)，同時對變電站的數(shù)量和模塊化建設(shè)水平提出了新的要求。國家電網(wǎng)通用設(shè)備“四統(tǒng)一”標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用雖然一定程度上加快了變電站建設(shè)的設(shè)計和施工進(jìn)度，但設(shè)計的科學(xué)性和施工進(jìn)度仍然存在較大的改進(jìn)空間。因此，加快研究標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、形成統(tǒng)一的GIS設(shè)備基礎(chǔ)埋件方案，是持續(xù)推動變電站模塊化建設(shè)水平的必要條件。

1 變電站GIS設(shè)備基礎(chǔ)通用做法的現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)行GIS設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計方案

變電站建設(shè)過程中，設(shè)計人員根據(jù)廠家提資確定埋件的具體位置，并根據(jù)二次澆筑面層的高度設(shè)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)?；炷林Ф招枧c結(jié)構(gòu)樓面有效錨固，在混凝土支墩上埋設(shè)矩形預(yù)埋件，矩形預(yù)埋件上焊接橫向設(shè)備基礎(chǔ)埋件，一般采用14號～20號槽鋼，槽鋼上部與GIS設(shè)備底座焊接。

1.2 現(xiàn)行設(shè)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(shè)備重要性極高，為保證設(shè)備的順利安裝、正常運行及使用，對GIS設(shè)備基礎(chǔ)的整體性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、施工誤差等要求均較常規(guī)工程高；在澆筑混凝土支墩、埋設(shè)矩形預(yù)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(zhì)量，該過程對模板及預(yù)埋件產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致預(yù)埋件或模板產(chǎn)生移動。

2)夾層輕質(zhì)混凝土易造成混凝土面層開裂。隨著變電站電氣設(shè)備的發(fā)展，電氣專業(yè)要求電纜溝深度逐漸加深，導(dǎo)致GIS室結(jié)構(gòu)層以上的輕質(zhì)混凝土面層高度抬高，對土建設(shè)計施工帶來挑戰(zhàn)。

現(xiàn)階段變電站建設(shè)過程中，二次澆筑的混凝土面層一般大于300 mm；由于設(shè)備埋件一般采用實腹構(gòu)件，導(dǎo)致輕質(zhì)混凝土面層鋼筋網(wǎng)片、管線等無法穿過，給現(xiàn)場施工帶來不便?，F(xiàn)場施工時，一般將鋼筋網(wǎng)片于橫向埋件阻礙處截斷，降低了輕質(zhì)混凝土面層的抗裂能力，變電站長期投運下，輕質(zhì)混凝土面層會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，給運行維護(hù)帶來安全隱患。

2 新型變電站GIS設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計方案

2.1 新型設(shè)計方案——通用共享型GIS設(shè)備基礎(chǔ)

1)110 kV GIS縱向預(yù)埋件。

為了真正解決GIS基礎(chǔ)埋件實施方案過度依賴設(shè)備資料的現(xiàn)狀，實現(xiàn)提前設(shè)計、提前施工，提高工程建設(shè)效率，該項目提出的基本思路為先施工樓面結(jié)構(gòu)層，確定并預(yù)留一次電纜孔，在預(yù)備設(shè)置埋件處預(yù)留12 mm厚縱向鋼制預(yù)埋件。如圖1所示，設(shè)計長度為1.0 m和1.5 m的預(yù)埋標(biāo)準(zhǔn)件，并根據(jù)工程實際長度需要進(jìn)行拼裝，同時設(shè)置10 mm寬拼裝縫，以滿足變形及精度調(diào)整要求；標(biāo)準(zhǔn)件之間用10 mm厚鋼板連接，以滿足接地要求。預(yù)埋件寬度設(shè)置為230 mm尺寸，相鄰間隔共用一塊預(yù)埋件；預(yù)埋件內(nèi)設(shè)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(yù)埋件。

為了方便組裝及精度調(diào)整，預(yù)埋標(biāo)準(zhǔn)件長度與110 kV GIS基礎(chǔ)相同，同樣根據(jù)實際長度進(jìn)行拼裝。如圖2所示，預(yù)埋標(biāo)準(zhǔn)件長度為1.0 m和1.5 m，設(shè)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(shè)備及荷載均較大，預(yù)埋件寬度設(shè)置為150 mm尺寸，各間隔采用兩條單獨預(yù)埋件；預(yù)埋件內(nèi)設(shè)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(jìn)行預(yù)拼裝而成，支墩高度根據(jù)輕質(zhì)混凝土面層高度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在施工時，縱向預(yù)埋件可在電氣設(shè)備資料提供前，沿設(shè)備方向埋設(shè)于樓板結(jié)構(gòu)中，每一設(shè)備間隔至少埋設(shè)兩根縱向預(yù)埋件，縱向預(yù)埋件平行且間隔布置，因此可以覆蓋所有橫向設(shè)備基礎(chǔ)可能安裝的位置，設(shè)備資料提供后，將GIS橫向埋件鋼支墩與縱向預(yù)埋件焊接，實現(xiàn)GIS設(shè)備資料提供前進(jìn)行變電站結(jié)構(gòu)施工的目標(biāo)，利于節(jié)約建設(shè)工期，保障工程質(zhì)量。

2.2 新型方案需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

1)基礎(chǔ)埋件的蜂窩梁。為了解決鋼筋網(wǎng)片、電纜和管線無法穿過橫向預(yù)埋件的問題，提高輕質(zhì)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(jìn)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(jié)約鋼材25%以上，有效地減輕了結(jié)構(gòu)自重；鋼筋網(wǎng)片、電纜管線等均可穿越蜂窩孔洞，有利于輕質(zhì)混凝土面層的施工(見圖4)。

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

3)埋件定位及預(yù)埋。根據(jù)GIS設(shè)備資料，首先預(yù)埋錨固與結(jié)構(gòu)層中的帶狀鋼板預(yù)埋件；然后，將GIS橫向埋件標(biāo)準(zhǔn)件沿帶狀鋼板定位并進(jìn)行可靠焊接。

4)GIS設(shè)備基礎(chǔ)與埋件的連接。設(shè)備架設(shè)于蜂窩梁上面，GIS設(shè)備與埋件采用現(xiàn)場角焊縫形式連接，由GIS設(shè)備廠家進(jìn)行安裝并焊接。

5)GIS設(shè)備的接地。蜂窩梁基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段間均采用12 mm厚鋼板連接，并與接地網(wǎng)相連；根據(jù)GIS設(shè)備接地點位置，由設(shè)備基礎(chǔ)引出接地點與設(shè)備接地件可靠連接。

3 蜂窩梁式GIS預(yù)埋基礎(chǔ)方案設(shè)計分析

3.1 110 kV GIS設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計分析

根據(jù)相關(guān)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(guān)于六邊形蜂窩梁腹板開孔要求，可以參考GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)6.5.2中相關(guān)構(gòu)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(kuò)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(dá)到峰值后，擴(kuò)張比越大，開孔處T形截面強(qiáng)度越小，蜂窩梁整體承載能力越小。一般情況下，擴(kuò)張比控制在1.2～1.7之間，針對本項目GIS基礎(chǔ)設(shè)計，擴(kuò)張比取1.4左右為宜。

蜂窩梁式設(shè)備基礎(chǔ)需驗算蜂窩梁設(shè)備基礎(chǔ)埋件的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、撓度、整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性。

1)抗彎強(qiáng)度。

蜂窩梁正應(yīng)力可按下式進(jìn)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(qiáng)度。

a.蜂窩梁孔腹板凈截面：

其中，ST為T形截面的面積矩，當(dāng)形心位于腹板內(nèi)時，取中性軸以上部分面積對中性軸的面積矩，當(dāng)形心位于翼緣內(nèi)時，取腹板自由端至翼緣內(nèi)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(dān)的剪力T為：

對接焊縫的剪應(yīng)力按截面平均應(yīng)力驗算，即：

3)蜂窩梁撓度。

當(dāng)擴(kuò)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(shù)來計算，放大系數(shù)可取1.4。

蜂窩梁設(shè)備基礎(chǔ)整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性可按與蜂窩梁等截面的實腹梁進(jìn)行驗算。型鋼支墩的截面強(qiáng)度、型鋼支墩與蜂窩梁焊接焊縫、型鋼支墩與預(yù)埋件焊縫強(qiáng)度均按照GB 50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定計算。

3.2 220 kV GIS設(shè)備基礎(chǔ)的設(shè)計分析

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

3.3 與傳統(tǒng)方案對比

1)傳統(tǒng)方案中的橫向預(yù)埋件阻礙了輕質(zhì)混凝土面層鋼筋網(wǎng)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(chǔ)方案解決了傳統(tǒng)方案施工中必須將鋼筋網(wǎng)片在橫向埋件處截斷的問題，提高了輕質(zhì)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(zhì)混凝土層開裂。

2)縱向預(yù)埋件上溢漿孔的設(shè)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(yù)埋件偏移的影響，更好地滿足GIS設(shè)備對縱向埋件位置精準(zhǔn)度的要求。

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

4)縱向埋件的長度可由工程需要確定，條狀連續(xù)化設(shè)計可以覆蓋所有GIS設(shè)備可能埋設(shè)的位置，同時可根據(jù)實際工程對輕質(zhì)混凝土填充層高度的需要，調(diào)整H型鋼支墩的高度。因此GIS室樓板澆筑和養(yǎng)護(hù)等工序不必滯后于電氣設(shè)備資料，可實現(xiàn)提前施工，縮短建設(shè)工期。

4 結(jié)論

基于上述戶內(nèi)變電站GIS基礎(chǔ)埋件的深化研究，可得出如下結(jié)論：

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

該方案無需等待設(shè)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(zhì)量、使提前送電成為可能。

2)分析了GIS設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計驗算的荷載條件，以及蜂窩梁的強(qiáng)度設(shè)計方法；針對220 kV淳西變的GIS設(shè)備基礎(chǔ)進(jìn)行驗算分析。

3)新型GIS設(shè)備基礎(chǔ)方案提升了埋件承載能力、方便了輕質(zhì)混凝土層鋼筋的敷設(shè)，實現(xiàn)了變電工程基礎(chǔ)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，符合當(dāng)前電力設(shè)計行業(yè)的大趨勢。