殷帥兵 魏 偉 張 棒 呂志娟 閆建華 丁麗平

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，以及“雙碳目標(biāo)”的提出[1，2]，變電站、新能源儲(chǔ)能站的建設(shè)需求逐步增強(qiáng)[3，4]。預(yù)制艙作為變電站以及新能源儲(chǔ)能站建設(shè)的重要設(shè)備之一，以其加快整站建設(shè)速度、縮短建設(shè)周期的優(yōu)勢，很好地滿足了變電站建設(shè)“快”的要求。

近年來，越來越多的變電站和儲(chǔ)能站項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)偏僻，甚至出現(xiàn)在沿海灘涂、濕地沼澤等環(huán)境惡劣的地方，傳統(tǒng)的水泥澆筑式地基已不能滿足需求。本文針對(duì)以上項(xiàng)目需求，設(shè)計(jì)了一種支腿式預(yù)制艙地基，并對(duì)地基進(jìn)行了抗震工況的分析，確保其使用的可靠性，很好地滿足項(xiàng)目需求。

1 預(yù)制艙支腿式地基介紹

傳統(tǒng)的水泥砌筑式地基如圖1所示，是目前工程上應(yīng)用最廣泛的預(yù)制艙地基形式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、可靠性好，缺點(diǎn)是建設(shè)周期長，受地形限制較大。

支腿式地基如圖2所示，采用H型鋼兩端焊接法蘭板的形式。預(yù)制艙通過法蘭板連接于地基之上，如圖3所示?？筛鶕?jù)預(yù)制艙的長度設(shè)計(jì)支腿式地基的個(gè)數(shù)，其特點(diǎn)是可用于沼澤地、沿海灘涂等惡劣環(huán)境，建設(shè)成本低，預(yù)制式生產(chǎn)，建設(shè)周期短。

2 仿真計(jì)算

對(duì)支腿式預(yù)制艙地基，其主要工況為承重工況及抗震工況，其中抗震工況為最為惡劣的工況。本文對(duì)支腿式預(yù)制艙支架應(yīng)用于預(yù)制艙產(chǎn)品時(shí)的抗震工況進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其抗震性能。由于支腿式地基所應(yīng)用的地點(diǎn)不定，因此本文按照高標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)其進(jìn)行設(shè)防烈度為9°的抗震分析。

2.1 模型簡化和網(wǎng)格劃分

根據(jù)仿真分析需要，對(duì)預(yù)制艙及支腿式地基整體進(jìn)行模型簡化，保留預(yù)制艙底座骨架及支腿式地基。簡化掉的重量包括：預(yù)制艙內(nèi)二次平柜24臺(tái)，每臺(tái)重300 kg，共重7 200 kg；預(yù)制艙圍框及頂蓋重5 400 kg；底座簡化掉部分重2 100 kg。

網(wǎng)格劃分是仿真分析重要的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度。細(xì)化網(wǎng)格可以使計(jì)算結(jié)果更精確，但是會(huì)增加CPU計(jì)算時(shí)間、需要更大的存儲(chǔ)空間。因此，網(wǎng)格劃分時(shí)需要權(quán)衡計(jì)算成本和細(xì)化網(wǎng)格之間的矛盾。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。共有185 092個(gè)有限元網(wǎng)格單元，有810 207個(gè)有限元節(jié)點(diǎn)。

2.2 有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析

在模態(tài)分析之前，將模型中簡化掉的重量施加于相應(yīng)部位，對(duì)預(yù)制艙底座簡化模型進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，以達(dá)到和實(shí)際工況更加接近的效果。在支腿式地基底部法蘭板添加固定約束，將簡化掉部分的等效重量添加在其實(shí)際作用的相應(yīng)部位，并且施加簡化模型自重。經(jīng)過模態(tài)分析得到預(yù)制艙底座前六階振型的固有頻率及振型如表1所示，結(jié)構(gòu)固有振型如圖5所示。

表1 前六階固有頻率和振型

2.3 地震工況仿真分析

基于以上模態(tài)分析結(jié)果，依據(jù)GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)預(yù)制艙底座及支腿式地基整體進(jìn)行抗震設(shè)防烈度為9°的仿真分析，地面水平加速度為0.4g，地面垂直加速度為水平加速度的65%，標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線如圖6所示[5]。

根據(jù)實(shí)際情況，同時(shí)施加X、Y、Z三個(gè)方向的地震反應(yīng)譜。經(jīng)過仿真分析得到其應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖7和圖8所示。

預(yù)制艙底座及地基采用的材料的屈服極限為235 MPa，從圖7可以看出，預(yù)制艙底座在設(shè)防烈度為9°的抗震工況下的最大應(yīng)力為39.1 MPa，遠(yuǎn)小于235 MPa的屈服強(qiáng)度，說明9°抗震工況下預(yù)制艙底座不會(huì)發(fā)生屈服破壞情況[6]。從圖8中可以看出，預(yù)制艙底座在地震工況下的最大變形量為1.19 mm，變形量很小，滿足工作要求。

3 結(jié)語

針對(duì)沼澤、濕地和沿海灘涂等特殊環(huán)境需求，設(shè)計(jì)了預(yù)制艙支腿式地基。對(duì)預(yù)制艙和支腿式預(yù)制艙地基整體進(jìn)行了有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析以及設(shè)防烈度為9度的抗地震分析，預(yù)制艙底座應(yīng)力和變形均在允許范圍內(nèi)。分析結(jié)果表明，支腿式預(yù)制艙地基可以滿足預(yù)制艙工作要求，證明了其設(shè)計(jì)的合理性和有效性。