张慧洁 王 灿 李景哲 王静峰，3，* 高奔浩

（1.国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，合肥 230071；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009；3.先进钢结构技术与产业化协同创新中心，合肥 230009）

0 引 言

近年来，模块化变电站建设在工程建设的施工质量、建设周期、工程投资和节能环保等方面相对于以湿作业为主的传统变电站建设有着显著优势[1]。为此，国家电网公司大力推进模块化变电站建设，相继在2016—2018年发布了35～110 kV、220～750 kV的模块化通用设计方案，其中装配式技术是实现模块化变电站建设中极为关键的重要方法。

人字构架设备基础是变电站建设的重要组成部分，因此研发人字构架预制装配式基础是实现模块化变电站建设的关键问题之一。预制装配式基础就是根据基础实际受力情况，同时考虑加工、运输、安装等问题，将基础整体拆分成不同的预制模块，实现工厂统一预制，再运用合理连接方式进行现场可靠连接，从而达到缩短工程周期，优化工程质量的目的。

目前，装配式模块之间的连接方式主要包含两种：第一种是在预制模块中预埋螺栓、型钢等预埋件进行铰接连接[2-3]；第二种是预留伸出钢筋，同时预留钢筋孔洞，现场拼装之后浇筑混凝土实现等同现浇的固接连接[4]。通过施加预应力来保证各模块之间的可靠连接方法曾被应用到美国和加拿大的风机基础中，表现出较好的稳定性和可靠性[5]。本文首次将此类连接方法引入到变电站设备基础研究中，研发出一种新型预应力连接的预制装配式变电构架基础，可减少现场湿作业对工程质量的影响。

本文依据国家电网某项目的变电站设计信息建立了变电站人字构架的有限元分析模型，综合考虑了其在正常使用状态下各种荷载工况，分析得到了基础所承受的最大作用力；综合考虑加工、运输、吊装及安装等复杂工程因素，进行了新型装配式基础的拆分设计；根据相关预应力规范和混凝土结构设计规范[6-7]，确定了预应力筋设计参数；最后利用ABAQUS有限元程序分析了预应力装配式基础在设计荷载下的应力分布及沉降值。研究结果将为预应力装配式基础在模块化变电站建设的应用和推广提供科学依据。

1 人字构架结构计算

变电站人字构架结构主要由人字形构架柱、三角形桁架横梁以及附属的钢爬梯避雷针等组成，如图1所示，其中两侧的人字构架斜柱设置端撑以形成抗侧力体系，中间的构架斜柱不设置端撑，构架柱中部设置多道横撑。梁柱采用铰接，横撑与人字柱钢管刚性连接。

图1 220 kV变电站人字构架结构图Fig.1 Diagram of 220 kV substation herringbone

在研发预制装配式基础时，采用MIDAS软件建立了220 kV变电站人字构架结构计算模型以确定基础所承受荷载。

1.1 人字构架计算模型

依据实际工程，参考国家电网提供的220 kV变电站构架斜柱、端撑、横梁截面信息，使用MIDAS有限元库的桁架单元和梁单元，建立了人字构架计算模型，如图2所示，以完全固结的边界条件模拟基础约束。模型包含358个节点、1 027个单元，其中桁架单元只能承受轴向拉、压力，梁单元既能承受拉力和压力，又能承受弯矩、剪力、扭矩。

图2 220 kV变电站人字构架结构计算模型Fig.2 Structural model of 220 kV substation herringbone

依据《变电站建筑结构设计技术规程》[8]，根据荷载性质，本模型考虑了下列4种工况作为承载能力极限状态的基本组合：运行工况、安装工况、检修工况和最低温度工况。

2.2 人字构架基础荷载

根据计算结果，比对分析不同设计荷载工况下带避雷针人字构架斜柱底的支反力，提取基础受到最不利荷载如表1所示，将其作为基础顶部作用力来设计基础。

表1 基础承受最不利荷载Table 1 The most unfavorable load on the foundation

2 预应力装配式基础的模块化研究

2.1 整体现浇钢筋混凝土基础设计

变电站现浇基础的混凝土强度一般为30 MPa，受力钢筋采用HPB400级钢筋。本设计取基础埋深为2.0 m，基底尺寸为2.5 m×2.5 m，基础高度为1.5 m，混凝土强度取30 MPa，采用直径为20 mm间隔为170 mm的HRB400级双层双向配筋，如图3所示。对基础的抗剪、抗弯、抗冲切、抗拔以及地基承载力等进行验算，满足规范要求。

图3 整体现浇钢筋混凝土基础尺寸及配筋Fig.3 Dimensions and reinforcement of cast-in-place monolithic foundation

2.2 预应力装配式基础拆分思路

综合考虑了加工运输因素、安装施工因素以及界面冲切因素对基础模块拆分方案的影响，研发了一种现场干式连接的预应力连接装配式基础形式，基础拆分思路如图4所示。

图4 人字构架预应力装配式基础拆分思路Fig.4 Modularized idea of the prestressed prefabricated foundation

人字构架装配式基础的预制构件主要包括：位于基础中部的YZ-B预制构件，其包含了柱下独立基础的上台阶和下台阶的一部分，使用上部预埋箱形法兰盘与人字斜柱连接；位于基础边缘的YZ-A预制构件，其包含了下台阶的边缘部分，以及用一个凹槽安装连梁；端部设凸角的YZ-连梁。预制构件中预留预应力孔道以施加模块间的可靠连接；各预制构件形状较规则，模板易统一标准，而且体量大小适宜，便于施工运输。

根据表2对于预制构件尺寸和重量可知，YZA、YZ-B、YZ-连梁的最小宽度分别为 0.95 m、1.2 m、1.2 m，均小于货车限宽2.5 m，满足要求；YZ-A、YZ-B、YZ-连梁的高度最大为1.5 m，小于货车限高3.8 m，满足要求；假定货车自重为8 t，车辆最大运输能力41 t；YZ-A、YZ-B、YZ-连梁的重量分别约为3.93 t、6.87 t、3.81 t，远远低于规范中车辆承载能力限值，有较大的安全余量。经过计算验证，上述分块方案中设计的预制构件，可以通过常规运输方式进场。

表2 预制构件的尺寸及重量Table 2 Dimensions and weight of prefabricated members

预制构件运输进场后，按照现场放线的位置放置各预制构件，保证预应力孔洞对齐，穿插、张拉预应力筋，固定锚具完成安装。

3 预应力装配式基础有限元分析

本文采用ABAQUS有限元程序，确定合理的材料本构关系，考虑材料非线性、界面接触、边界条件及网格划分等因素建立了新型预应力装配式基础的有限元分析模型，分析其在最不利荷载工况下的力学性能，如图5所示。该分析模型主要

包括地基土、装配式混凝土基础构件（预制构件YZ-A、YZ-B和连梁）、钢筋网片、钢筋笼、预应力锚具组和法兰盘组成，其中地基土考虑了土体开挖，并考虑了基础顶面以上的覆土厚度。

图5 人字构架基础有限元分析模型Fig.5 The FE model of the prestressed prefabricated foundation

3.1 单元类型及网格设置

3.1.1 单元类型

混凝土采用八节点减缩积分的线性六面体单元（C3D8R）模拟其变形特征。采用两节点线性三维桁架单元（T3D2）模拟受力筋及预应力钢筋可以有效的反映钢筋材料的特性；法兰盘、锚栓以及连接螺栓采用八节点减缩积分的线性六面体单元（C3D8R）。为了减小土体尺寸对模拟结果的影响，土体尺寸在深度方向延伸6 m，在平面方向上取为基础尺寸的3倍，采用八节点线性六面体单元（C3D8R）。

3.1.2 网格划分

网格划分对有限元分析模型的计算精度及收敛速度有重要的影响。如果网格划分尺寸过大，计算时间会缩短，但是计算结果不够精确；如果网格过小会导致计算时间过长，并且可能造成模型不收敛[10]。本模型的土体以及基础部分的网格采用ABAQUS中结构化网格化分技术（Structured）。网格大小根据试件尺寸进行局部划分，本模型中土体和基础相互作用部位网格尺寸为100～120 mm，距离基础较远的土体网格尺寸为400～450 mm，可以有效保证单元尺寸的计算精度。

3.2 本构关系模型

3.2.1 混凝土

混凝土采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010）[7]的单轴应力应变关系，如图6所示。其中单轴受压曲线如式（1）—式（5）所示，单轴受拉曲线如式（6）—式（9）所示：

图6 混凝土单轴应力-应变关系Fig.6 The uniaxial stress-strain relationship of concrete

式中：σ和ε分别为混凝土的应力和应变；Ec为混凝土的弹性模量；αc是与混凝土单轴受压本构曲线下降段有关的参数值；fc，r和εc，r分别为混凝土应力-应变曲线达到峰值时的抗压强度和压应变；dc为混凝土受压损伤系数。

式中：αt为与混凝土单轴受拉本构曲线下降段有关的参数值；ft，r和εt，r分别为混凝土应力-应变曲线达到峰值时的抗压强度和压应变；dt为混凝土受拉损伤系数。

3.2.2 钢材与钢筋

目前大多数钢材及钢筋的本构均采用双折线模型（图7）。假设钢材及钢筋在受压受拉时的本构关系相同，能够较好模拟其实际的材料特性。

图7 钢材应力-应变关系曲线Fig.7 Uniaxial stress-strain relationship of steel

3.2.3 预应力筋

不同中强度预应力钢丝强度参数如表3所示，本文选择10根φHM 9中强度预应力钢绞线施加可靠连接。根据截面积相等的原则将10根钢绞线等效为截面积为707 mm2的预应力筋，假定在加载全过程中，预应力钢筋处于弹性阶段，参照文献[6]，弹性模量和泊松比分别取为2.1×105MPa和0.3。

表3 预应力筋强度设计值Table 3 Design strength of prestressing tendons MPa

3.2.4 土体

假设土体是一种弹塑性非线性材料，为了便于计算的收敛性，采用Drucker-Prager屈服准则来模拟其变形，其屈服函数表达式为[9]

式中：I1为应力张量的第一不变量；J，2为应力偏张量第二不变量。

土体主要材料参数包括如表4所示。

表4 土体主要材料参数Table 4 The main material parameters of soil

3.3 荷载施加及边界条件

本模型设置两个静力通用分析步，第一个分析步用于给预应力筋施加预应力，第二个分析步用于施加人字构架传递到基础顶面的荷载。

在第一个分析步中施加预应力。根据预应力相关规范[6]，取0.7倍的极限抗拉强度为张拉控制应力。本模型综合考虑了后张法预应力张拉过程中的预应力损失，最终有效预应力值（即模型输入值）确定为612.14 MPa，施加方式如下：

预应力筋设置线膨胀系数，通过设置降低温度的预定义场施加预应力，根据式（11）进行降温计算[11]：

式中：α为线膨胀系数，取α=10-5；E为弹性模量，取E=2.1×105MPa。

经过计算，本模型需降温291.5℃来模拟施加初始预应力。

在第二个分析步中，分别通过参考点RP1和RP2（距离J-2和J-3基础人字柱顶面100 mm处）施加基础所受最不利荷载；此外，还对整个模型施加自重荷载，考虑大体积钢筋混凝土基础自身重量对抗拔的有利作用。

本模型通过约束土体表面位移来施加边界条件，对于土体底面，仅约束其Z方向的位移，对于土体的侧面，分别约束其沿法向方向的位移。

3.4 接触作用

钢筋网片、锚筋与混凝土的采用内置区域定义接触来模拟在混凝土中嵌固的特点[12]。

装配式模块接触面之间、装配式基础与土体之间均采用库仑摩擦理论。该理论包含切向和法向两个方向的行为，切向行为指的是摩擦作用，采用“罚”选项，摩擦系数取0.6[11]；法向行为采用“硬接触”选项，假设当接触面接触时，接触压力可以为零到无穷大，当接触面分离时，接触压力为零。

锚筋和内置法兰盘采用“Tie”约束模拟焊接作用。预应力钢筋和锚板的连接采用MPC-梁的约束进行连接。由于预应力筋采用无黏结后张法施工，所以预应力钢筋和混凝土不设置相互接触。

4 数值模拟结果与分析

4.1 主要构件应力状态

取1/2地基土进行应力分析，本模型地基土受到的力主要以轴向压缩力为主，选取地基土Z向应力云图（S33）来分析人字构架装配式基础周围地基土在设计荷载下的应力状态。如图8所示，地基土体最大的压应力出现在受压基础J-2的角部，最大压应力为91.6 kPa，小于设计提供的地基承载力特征值150 kPa，地基土承载力满足要求。

图8 地基土剖面压应力云图Fig.8 Compressive stress of soil profile

对于基础的混凝土部分，图9反映了其压应力分布和传递规律。在预应力端板处混凝土压应力达到最大，为12.9 N/mm2，小于C30抗压强度标准值14.3 N/mm2，其余位置的压应力均明显小于混凝土抗压强度。

图9 装配式基础混凝土压应力云图Fig.9 Compressive stress（S Min Principal）of the prefabricated foundation concrete

图10（a）给出了装配式基础底面的平均应力（Mises）分布，受压基础J-2的应力大致呈十字形扩散，四个角部应力较小；受拉基础J-3的应力主要集中于中间预制构件YZ-2上，YZ-1构件应力较小。图10（b）给出了装配式基础第二阶顶面的平均应力分布，与底面相反，由于覆土的存在，受拉基础成为一个变相的受压基础，应力呈十字形扩散。

图10 装配式基础混凝土表面应力云图Fig.10 Compressive stress（S Mises）of the concrete surface of prefabricated foundation

装配式基础的受力钢筋部分，图11反映了其拉应力分布。在正常使用过程中，钢筋均处于低应力水平，其最大的拉应力发生在受拉基础的上层配筋处，为6.76 N/mm2，小于钢筋的屈服强度300 N/mm2。

图11 装配式基础钢筋框架拉应力云图Fig.11 Tensile stress（S Max Principal）of the rebar of prefabricated foundation

4.2 关键部位竖向位移

图12给出了装配式基础的竖向位移。在Y方向，由于一侧受拉一侧受压，故呈现出一种从受压侧到受拉侧竖向位移渐变的趋势；在X方向，因装配式构件界面间由预应力产生的静摩擦力足以抵抗地基反力，X方向竖向位移变化较小。

图12 装配式基础竖向位移云图Fig.12 Vertical displacement（U3）of prefabricated foundation

分别在基础底面沿X向和Y向选取特征点以分析不同部位的不均匀沉降，如图13所示。在Y向上根据云图颜色选取了10个特征点，在X向分别在3个不同构件中心各选取1个特征点。

图13 装配式基础底面关键点位置示意图Fig.13 Location of key points on the bottom surface of the prefabricated foundation

图14给出了装配式基础底面分别沿Y向特征点的竖向位移曲线图。从受压侧到受拉侧竖向位移逐渐减小，位于受压侧端点的1号特征点的最大竖向位移为17.83 mm，而位于受拉侧端点的12号特征点的最大竖向位移为11.79 mm，最大不均匀沉降为6.04 mm，满足要求。

图14 装配式基础底面Y向关键点位置竖向位移曲线图Fig.14 Vertical displacement curves of Y-direction key points on the bottom surface of prefabricated foundation

图15（a）和15（b）分别给出了装配式基础J-2和J-3沿基础底面X向特征点的竖向位移曲线图。两个基础的竖向位移曲线图大致重合，说明在正常使用状态下各装配式构件不会发生相对滑移。

图15 装配式基础底面X向关键点位置竖向位移曲线图Fig.15 Vertical displacement curves of X-direction key points on the bottom surface of prefabricated foundation

4.3 基础和土体的相互接触压力

在基础与土体接触面沿Y向选取部分特征点以判断基础和土体在设计荷载作用下是否发生相互脱离现象，如图16所示。

图16 基础与土体接触面关键点位置示意图Fig.16 Location of key points on the contact surface between foundation and soil

图17绘制出了不同特征点处基础和土体受荷全过程基础-土体接触压力曲线图。沿Y向基础竖向沉降的渐变导致了基础-土体接触压力在此方向上也出现一个渐变的现象。受拉侧端点（PointL），其仍然存在接触压力，说明基础自重及覆土重量可以有效地抵抗人字构架基础正常使用过程中受到的上拔力。

图17 装配式基础底面Y向关键点位置接触压力曲线图Fig.17 Contact stress curves of Y-direction key points on the contact surface between foundation and soil

5 效益性评价

本文针对研发的新型预应力装配式变电站人字构架基础进行了社会、经济效益评价。

5.1 社会效益

变电站基础装配化在工厂通过精细化管理、规范化加工集中生产基础预制构件，使基础预制构件质量可控、精准。此外，人字构架装配式基础可以实现快速安装施工，适用变电站人字构架结构布置。

5.2 经济效益

针对变电站人字构架传统现浇混凝土基础和本文研发装配式基础进行成本估算，如表5所示。其中现浇基础建造成本包括模板工程费用、钢筋工程费用、混凝土工程费用；而装配式基础建造成本包括材料成本、运输费用、安装费用。

表5 现浇和装配式基础成本估算表Table 5 Cost estimation for cast-in-place and fabricated foundations 元

（1）现浇混凝土基础成本估算

模板工程费用主要包括模板制作、安装、拆除、整理堆放、清理模板黏结物等产生的费用。钢筋工程费用主要包括钢筋制作、绑扎、安装产生的费用；混凝土工程费用主要包括混凝土运输、浇筑、振捣、养护等产生的费用。

（2）装配式基础成本估算

本文研发的变电站人字构架装配式基础共有12个独立基础、5个基础连梁、60组预应力锚具组，如图2所示。材料成本即为构件的预制费用（包含运输费），安装费用主要包括预制件吊装定位、张拉封锚等。

通过对比，在满足安全性的前提下，优化基础结构及埋深，使得工程造价降低33.3%，材料消耗下降超过50%，产品质量能得到保障。

6 结 论

（1）本文结构优化、计算分析，研发出一种新型预应力装配式基础。可实现工厂化生产、绿色化施工，值得在模块化变电站中推广和应用。

（2）计算结果表明，新型预应力装配式基础的混凝土部分最大压应力为12.9 N/mm2，小于材料强度14.3 N/mm2；钢筋在设计荷载作用下处于弹性状态；地基土的最大竖向应力为91.6 kPa，小于地基承载力特征值150 kPa，均满足现行标准要求。

（3）竖向位移分析表明基础预制构件间不会发生相对滑移，基础沿竖向的最大不均匀沉降为6.04 mm，满足现行标准限值。基础与土体在受荷时协同变形，持荷情况良好。

（4）经过合理优化、拆分设计后的装配式基础在成本、质量等方面均优于整体现浇混凝土基础，具有良好的经济社会效益。