户内变电站框架结构主变基础加固方案应用研究

李志明，徐 军，卞茂斌，胡 坚

（1.无锡供电公司，江苏无锡 214000；2.江苏省电力公司电力经济技术研究院）

户内变电站框架结构主变基础加固方案应用研究

李志明1，徐 军1，卞茂斌1，胡 坚2

（1.无锡供电公司，江苏无锡 214000；2.江苏省电力公司电力经济技术研究院）

以梁增大截面加固方案和梁面粘贴钢板加固方案的结构验算和经济指标的比较，来阐述方案的可行性和经济性；通过与传统施工方案的对比，验证加固方案在工程造价、停电时间及环境保护等方面有着明显的优越性；总结设计经验供工程技术人员在工程中参考应用。

钢筋混凝土梁；加固；工程造价；停电时间；环境保护

近年来，随着经济建设的不断深化和高速发展，各地区工商业用电需求不断增长，对大量已建110k V变电站的进行增容、扩建，是解决当地增强供电能力的快速有效的途径，同时也有利于充分发挥现有资源的效益。但是，由于多数110k V变电站在新建阶段就将预留的主变压器基础施工完成，而由于经济形势的发展，新增主变压器的重量常常会超过原有主变压器基础的设计荷载。如果按照常规思路，只能拆除重建。但这样需要耗费大量的施工时间和人力物力，延长停电时间，造成供电不稳定，并增加了工程造价，造成了经济浪费和环境污染。因此，安全、合理的改造方案是非常重要的。现以加大截面和粘钢两种加固方案的结构验算和经济比较，来阐述基础加固方案的可行性和经济性，为变电站的改扩建工程的设备基础再利用提供思路。

1 原设备底座框架梁概况

原变压器连续梁由两跨两端悬挑结构组成，总长度为7 340 mm，两端悬挑长度为1 520 mm，柱间距2 150 mm，梁截面尺寸为600 mm×600 mm，设备底座连续梁平面结构布置如图1。原结构混凝土为C30：混凝土容重rc＝25 k N／mm3，其它参数ft＝1.43 N／mm2，fc＝14.3 N／mm2，ftk＝2.01 N／mm2，Ec＝29 791 N／mm2。原结构采用Ⅱ级钢，其性能参数：f′y＝300 N／mm2，fy＝300 N／mm2，fyv＝210 N／mm2，Es＝200 000 N／mm2，钢筋受拉面积As＝1 900 mm2（5ψ22），钢筋受压面积A′s＝1 900 mm2（5ψ22）。

新变压器设备底座尺寸为1 650 mm×4 100 mm，整个设备总重约140 t。

2 原载荷连续梁验算结果

2.1 荷载信息

连续梁最不利受力简图见图2。

图1 原有设备基础平面布置图

图2 连续梁受力简化图

2.2 梁内力计算及截面配筋

1）内力标准值：应用PKPM结构软件中“混凝土结构鉴定加固－8层”模块，计算结构标准内力，其结果如图3和图4所示。

图3 梁截面恒载作用下弯矩图

图4 梁在活载不利布置作用下弯矩图

2）内力设计值、配筋：应用PKPM结构软件中“混凝土结构鉴定加固－8层”模块，计算得结构内力简图，见图5和图6；混凝土构件应力比及配筋简图见图7。

将计算结果与原设计比较，原连续梁结构不能满足新增140t主变荷载的要求，需对结构进行正截面与斜截面加固设计。

3 增大梁截面加固方案

3.1 加固构件概况

原梁截面尺寸b×h＝600 mm×600 mm，截面增大高度后截面尺寸变为b×h＝600 mm×800 mm，钢筋受压合力点至截面边距离a′s＝37.50 mm，钢筋受拉合力点至截面边距离as＝37.50 mm。原混凝土强度等级为C30，原受拉区钢筋强度的设计值fy0＝300 MPa，原受压区钢筋强度的设计值f′y0＝300 MPa，原受拉区钢筋面积为As0＝1 900 mm2，原受压区钢筋面积为A′s0＝1 900 mm2。根据抗震设计要求，设计截面位于框架梁中，弯矩设计值M＝812 k N·m，加固前弯矩标准值Mk0＝583.5 k N·m，地震组合折减系数γRx＝1，原构件修复后承载力震损折减系数ψf＝1［1］。

图5 梁截面设计弯矩包络图

图6 梁在不利活载布置下剪力包络图

图7 混凝土构件配筋及应力比简图

3.2 增大梁截面法正截面计算

根据上述条件，原结构混凝土抗压强度设计值：fc0＝14.3 MPa

根据加固规范GB 50367－2006第5.2.4条求得受弯构件增大截面加固后的相对界限受压区高度：ζb＝0.363

当ζ＝ζb时，截面最大弯矩承载力：Mmax＝1 784.56 k N·m

当Mmax＞M，经计算可得出混凝土受压区高度和所需新增钢筋受拉面积分别为：X＝82.69 mm，As＝2 194.48 mm2

全截面最小受拉钢筋截面：Asmin＝960 mm2

3.3 增大梁截面法加固斜截面计算

3.3.1 基本参数

原框架梁截面尺寸为b×h＝600 mm×600 mm，截面增大后尺寸为b×h＝600 mm×800 mm，钢筋受拉合力点至截面边缘距离as＝37.50 mm，计算长度l0＝1 520 mm，截面原混凝土强度为C30，截面新增混凝土强度为C35，箍筋原强度设计值fyv0＝210 MPa，箍筋原间距s0＝100 mm。抗震设计，剪力设计值V＝713.6 k N，地震组合的折减系数γRa＝1，原构件震损修复承载能力折减系数ψf＝1［1］。

3.3.2 加固计算

混凝土原抗拉强度设计值：ψf0＝1.43 MPa。

新增混凝土抗拉、压强度设计值：ft＝1.57 MPa，fc＝16.7 MPa。

构件原截面有效高度：h01＝562.50 mm。

截面增大后有效高度：h0＝762.50 mm。

按照《混凝土结构加固规范》（GB 50367－2006）第5.3.1条可求得斜截面最大承载剪力：Vmax＝1 912.35 k N。

Vmax＞V，说明截面承载力满足要求。

混凝土承担的剪力：Vc＝431.1 k N。按照《混凝土结构加固规范》（GB 50367－2006）式（5.3.2－1），可求得同一截面内箍筋各肢原截面面积之和：Axv0＝141.14 mm2。

同一截面箍筋最小面积：Asmin＝107.97 mm2。

3.4 加固结构方案

采用混凝土增大截面的方法，该方案连续梁加固大样图如图8所示。

图8 连续梁加大截面加固大样图

4 梁粘贴钢板加固方案

4.1 加固构件概况

原框架梁截面尺寸为b×h＝600 mm×600 mm，截面增大后尺寸为b×h＝600 mm×800 mm，钢筋受拉合力点至截面边缘距离as＝37.50 mm，原截面混凝土强度等级为C30，原受拉纵筋强度设计值fy0＝300 MPa，原受压纵筋强度设计值f′y0＝300 MPa，钢板强度设计值f′y0＝205 MPa，受拉钢筋已有截面面积As0＝2 940 mm2，受压钢筋已有截面面积A′s0＝1 960 mm2。抗震设计，设计截面位于梁跨中，设计弯矩值M＝549 k N·m，组合地震折减系数γRx＝1。

4.2 加固计算

按照已知条件，混凝土原抗压强度设计值：fc0＝14.3 MPa，相对截面界限受压高度ζb＝0.495。

当ζ＝ζb时，截面最大弯矩承载力：Mmax＝1 400.9 k N·m。

当Mmax＞M时，经计算可以得出新增受拉钢筋面积和受压区高度分别为：Asp＝698.68 mm2，X＝50.85 mm。

当x＜2a′s时，受拉钢板重新计算面积：Asp＝745.37 mm2。

4.3 加固方案

原主变基础梁采用粘贴钢板加固法，方案如图9所示。

5 技术经济指标比较

5.1 工程造价

按照上述进行造价测算，增大混凝土截面加固方案施工费用约为1.75万元左右，如果要进一步降低施工工期，可将此方案中的混凝土改为高强灌浆料，保养时间可以大大缩短；加固费用约为2.27万元；采用粘贴钢板加固方案施工费用约为1.56万元。而如果将由原基础拆除重建，则工程费用约为5万元左右，而且有可能会影响结构的安全。通过比较可知，采用结构加固的改造方案可以大幅降低工程造价。

5.2 停电时间

采用增大混凝土截面的加固方案，施工周期约为30天，由此改进的高强灌浆料截面增大方案加固施工工期约为8天；采用粘贴钢板加固连续梁方案施工周期仅需5天。而如果采用拆除原有基础重新建设的方案，由于需要拆除老基础、重新开挖地基及支模等施工过程，同时混凝土的养护周期较长，总工期需要大约50天。通过比较可知，加固改造方案可以缩短施工周期，大大缩短停电时间，解决了由于土建施工周期过长造成停电时间过长的问题，提高了供电可靠率［2］。

5.3 环境保护

对原有结构进行加固，可以大大降低钢筋混凝土的使用量，一方面避免了环境的污染和资源的开采，而另一方面也节约了材料，从而保护了生态环境，符合环境友好的要求［3］。

6 结论

由于设备荷载增加较多，经过验算原连续梁承载力不能满足要求，故采用增大构件截面和梁粘贴钢板的方案进行加固，计算结果表明了两方案的适用性和经济性，通过多个变电站扩建工程的工程实践，也验证了加固方案的可行性。在确保结构安全的前提上，对原有基础实现再利用可缩短设备更换的施工周期，同时产生巨大的经济效益和社会效益，值得在今后的扩建增容工程中推广应用。

［1］ 过镇海，时旭东.钢筋混凝土原理和分析［M］.北京：清华大学出版社，2003：56－57.

［2］ 龚洛书，柳春圃.混凝土的耐久性及其防护修补［M］.北京：中国建筑工业出版社，1990：99－103.

［3］ 徐军，李志明.梁柱结构型主变基础加固方案研究应用［G］∥华东六省一市电机工程（电力）学会.输配电技术讨论会论文集.上海：［出版者不详］，2012，118－120.

Research on Strengthening Transformer Foundation of Frame Structure in Indoor Substation

LI Zhi－ming1，XU Jun1，BIAN Mao－bing1，HU Jian2
（1.Wuxi Power Supply Company，214000，Wuxi，Jiangsu，China；2.Electric Power Economic and Technological Research Institute of Jiangsu Electric Power Company，210008，Nanjing，Jiangsu，China）

Comparing the structure checking calculation and economic index of widening beam section reinforcement scheme with those of beam surface plate sticking reinforcement scheme，we explain the feasibility and economy of the schemes.Through the comparison with traditional construction schemes，we verify that the reinforcement schemes have obvious superiority in the aspects of engineering cost，outage time and environmental protection.In the end，we summarize the design experience to provide reference for engineering technical staff.

reinforced concrete beam；reinforcement；construction cost；outage time；environmental protection

高桂芝）

TU753.8

A

1008－3782（2014）01－0015－06

2013－12－25

李志明（1974－），男，江西于都人，硕士，一级注册结构师，无锡供电公司高级工程师。

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