全封闭预装式钢结构基础设计与仿真

0引言

预装式变电站具有占地面积小、建设快捷且周期短、综合经济效益明显的特点,随着预装式变电站建站方案的普及,其基础作业的某些特点也越来越明显。

土建基础建设需要根据具体的工程条件、地质条件、建筑物的结构形式以及经济效益等多方面因素进行综合考虑。由于建筑抗震、抗沉降等需要,土建基础需要开挖较深的基坑后制作筏板,再制作箱式基础。

土方开挖受岩土情况影响较大,在某些山地、海岛等环境施工较困难,而混凝土养护严重受环境和天气的影响,导致从开挖到混凝土养护结束的施工周期极长,成本极高。全封闭钢结构相比土建基础具有土方作业量小,施工周期短,受气候、岩土影响小等特点,可以作为预装式变电站基础作业方案对土建基础和架空基础等的有力补充。

1 样式介绍

1.1土建基础

使用场景:预制舱所使用的箱式基础和承台基础是一种历史悠久的建筑基础样式,具有工艺成熟、使用可靠的特点,尤其适用于城市、城郊、整体项 目施工现场等施工场景。其常见样式如图1所示。

优点:土建基础可视为半永久建筑,其承载可靠,使用寿命长,可与现场电缆沟整体设计施工,适合地质条件良好的建站场所。

1.2钢结构预制舱基础

使用场景:通常土建预制舱基础采用传统土建方式,因其建设周期长,需重型机械进行土方作业,而所需钢筋、砂石等建筑材料需大型货车运抵现场,在偏远地区会极大地提高附带建设成本。亦或现场天气条件较差,雨季、严寒等客观因素造成钢混施工困难、混凝土养护困难,难以保证土建作业保质保量按时完成,为后续的预制舱工作和项目如期交付带来极大困难。此类情况下可采用钢结构预制舱基础,其常见样式如图2所示。

优点:1)与传统土建相比,钢结构基础只需进行少量的土建作业,即可满足安装条件;2)工厂化生产使风险在工厂可控,减少了现场风险管理的工作量;3)钢结构基础各组件在现场安装时可自主调节以适应较差的地理条件;4)钢结构基础预制舱就位后可方便地安装电缆,基础空间为半开放式空间,不再需要单独配置排水泵和检修井。

1.3 全封闭预装式钢结构基础

使用场景:1)高海拔地区、偏远山区、海岛等特殊地理条件下,大批量材料运输难以抵达或成本极

高;2)人力资源少、施工受自然条件约束大,岩石、硬土等土方作业在人力条件下极难进行;3)化工厂等受限园区约束不便展开大规模土方作业等场景。为尽量减少土建施工量,此时可采用预制全封闭基础,此种基础仅需要一定的平整和硬化作业,即可满足预制舱就位需求。

其常见样式如图3所示。

这种基础建设方式除上文钢结构基础的优点外,还具有以下优点:1)只需筏板作支撑,大大减少了土方作业量;2)和预制舱同步生产,现场同步组装,大大缩短了整体施工周期;3)可根据气候、环境等条件设计电缆敷设、保温、制冷、通风、防尘等设施,可集成照明、报警、温湿度检测等智能系统,集成化、智能化程度进一步提高。

基础建设方案应根据土建施工难度、经济效益、环保等方面综合考虑,表1列举了三种建设方式的横向对比。

2 仿真分析

基础主体结构的荷载分析对于选择合适的材料而言至关重要。首先,CAE分析可根据结构的使用环境和用途更好地确定其所需的强度和耐久性;其次, CAE分析可以帮助更好地选择加工性和经济性兼顾的材料;最后,CAE分析可以更好地确保舱体的稳定性和安全性。

2.1 工况选择

进行分析的模块化预制舱长35m、宽6.7m、高8.5 m,主要分为钢结构基础模块、二层一次舱模块、三层二次舱顶盖模块以及安装附件,其模型示意图及实际样貌如图4所示。为了保证吊装、承重等工况下舱体有足够的机械强度,采用整体焊接的形式,整体作为一个模块。各个相邻的模块之间通过紧固件进行组装连接。

经过前期计算,二层舱体重约70 t,设备重30 t,三层舱体重约70 t,设备约30 t,顶盖重量约30 t。钢结构基础承重约230 t,即2 254 KN。

全封闭预装式钢结构基础的特殊性设计主要体现在各个模块的计算上。对于预制舱的各种工况来说, 在雪载、风载、地震荷载作用下的钢结构基础受力最大,因此,选择在这三种工况下验证H型钢与槽钢焊接组合的新型钢结构基础方案的安全性与可靠性^[1]。

2.2 分析模型的建立

为验证该新型基础结构设计的合理性,采用有限元分析法,建立舱体的三维有限元仿真模型,在静止平放状态下对关键结构件的强度及变形进行分析,最后给出变形及强度校核结果。由于舱体整体尺寸较大,综合考虑分析结果的准确性和仿真效率,舱体承力框架组成构件的单元尺寸设置为50mm。网格划分完成后,总单元数为3 635 248万个,总节点数量为11 627100个。设定约束边界为舱体底面施加完全固定约束。

强度分析时,根据设计规范^[2],考虑永久荷载(自重、内部设备荷载)和可变荷载(活荷载、雪荷载、风荷载、地震作用)组成的荷载组合。

结构材料选择为Q235B结构钢,材料属性:弹性模量为210 Gpa,泊松比为0.27,屈服强度为235 Mpa,密度为7850 Kg/m³。

2.3雪载分析

积雪以静载的形式对预制舱顶部施加压力,使得舱顶构件产生变形,积雪冰冻后温度变化也会改变钢型材结构的刚度特性。根据规范^[2],屋面水平投影面上的雪荷载标准值按下式计算:

S_k=μ_rS₀  (1)

式中:S_k为雪荷载标准值;μ_r为屋面积雪分布系数;S₀为基本雪压,取0.35 kN/m²。

屋面积雪分布系数取1.0,因此雪荷载标准值为0.35 kN/m²。由此易得:舱体顶面雪荷载作用在顶面 支撑构建的上表面,顶面框架承压为0.003 274 Mpa。

雪荷载分析结果如图5所示:可知舱体最大变形量为1.552 mm,位于舱体顶框竖梁上,变形满足挠度要求;舱体承力构件最大应力为129.91 Mpa,位于舱体三层底架竖梁上,最大应力小于Q235B材料的许用屈服极限。

2.4风载分析

计算预制舱抗风荷载的结构强度,主要考虑主受力结构的抗风强度。根据规范^[2]要求,垂直于预制舱表面的风荷载标准值应按下式计算:

w_k=β_zμ_sμ_zw₀   (2)

式中:w_k为风荷载标准值;β_z为高度z处的风振系数,取值1;μs为风荷载体型系数;μ_z为风压高度变化系数,取值1;w₀为基本风压,取值0.45 kN/m²。

由式(2)易得出:舱体承力面上的所受荷载为0.00286 Mpa。

分析结果如图6所示:可知舱体最大变形量为1.63 mm,位于舱体二层顶框竖梁上,变形满足挠度要求;舱体承力构件最大应力为139.6 Mpa,位于舱体三层底架上,最大应力小于Q235B材料的许用屈服极限。

2.5 地震荷载分析

地震设防烈度为8级,基本加速度为0.2g。

式中:α₁为地震影响系数;T₁为结构自振周期,T₁=0.15×3=0.45;T_g 为特征周期,取0.45;γ为衰减系数,取0.9;η₂为阻尼调整系数,取1.0;α_max为水平地震影响系数最大值,取0.16。

将相关数据代入式(3)得:α₁=0.16。

结构总水平地震作用标准值F_EK=G_eq×α₁=G ×0.85α₁=2 254×0.85×0.16=306.544 KN。其中,G_eq为结构等效总重力荷载;G为舱体总重力荷载代表值。

舱体各层水平地震作用标准值:

式中:Fi为第i层舱体水平地震作用标准值;Gi为第i层舱体结构总重力;Hi为第i层舱体结构重心高度。

将各层参数代入式(4),分别计算得到各层水平地震作用标准值,结果汇总如表2所示。

分析结果如图7所示:舱体最大变形量为2.22mm,位于舱体三层底架横梁上,变形满足挠度要求;舱体承力构件最大应力140.02 Mpa,小于Q235B材料许用屈服极限。根据规范^[3],此舱体构件应力满足要求。

3 结束语

预装式变电站在地理条件和交通条件较差的地 区相比于传统电站具有极高的优越性,但基础建设仍然对这种建站方式具有一定的限制性。本文在前期提出的钢结构基础的背景下^[4],针对高难度施工场景、集成化电缆敷设等又提出了全封闭预装式钢结构基础方案,并基于ANSYS WorKbench仿真分析软件对该方案在雪载、强风、地震等工况下的力学性能进行了分析校验。

[参考文献]

[1]郭胜军,王伟.预制舱底座结构分析与优化设计[J].煤矿机械,2017,38(8):87-89.

[2] 建筑结构荷载规范:GB 5009—2012[S].

[3] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].

[4]何显江,燕飞飞,王说说,等.浅谈钢结构预制基础[J].机电信息,2020(33):1-3.

《机电信息》2024年第17期第1篇