变电站装配式GIS基础研究

殷占全，冯　凯,林佰春,梁　勇,张晓晨

(1.国网宁夏电力公司经济技术研究院，银川　750000；

2.中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春　130021)

为了节约占地，气体绝缘开关(GIS)设备在工程中应用得越来越多。由于GIS设备对基础沉降要求严格，各变电站地质情况又大不相同，沉降差超出限制可导致设备损坏、变电站停运等严重后果，给电网运行造成严重事故，因此GIS基础型式的选择及设计尤为重要。GIS基础体积较大，施工周期较长，裂缝不易控制，成为制约整个变电站施工进度和质量的关键因素。

目前，国内GIS设备基础多采用现浇钢筋混凝土大板基础，按照设备伸缩要求设置伸缩缝，同时兼做设备的安装平台。由于设备长，混凝土板很厚，混凝土现浇工作量非常大,作为大体积混凝土施工，表面很容易产生微裂纹，对于感官质量影响很大。GIS设备基础如采用预制装配式，将大体积混凝土分体，在工厂加工或现场预制，减小单件混凝土体积，可以加快现场基础施工速度。

1　GIS设备基础常用结构型式

GIS组合电器常用厚板式基础、梁式筏板基础、支墩式筏板基础、箱型基础等型式。

1.1　厚板式基础

a.施工过程。根据设备基础外形尺寸，开挖基坑，以分隔缝为界分割成几个施工段，浇筑垫层，支设模板绑扎钢筋，浇筑混凝土，拆除模板，养护。

b.性能特点。刚度大，整体承受不均匀沉降的能力较强，表面为一个整体平台，满足了设备安装精度和平整度的要求，是比较通用的基础形式。

c.缺点。对于这种大体积混凝土，混凝土凝固过程中水化热影响较大，裂缝不易控制。为了精确定位GIS设备预埋件，混凝土需分多次浇筑，属于长间歇大面积薄层混凝土浇筑。与上部GIS设备荷载相比较，基础自重占比很大，使基底应力加大，地基处理成本较高。

d.适用条件。适用于地质条件较好，工期安排合理的变电站工程。

1.2　梁式筏板基础

梁式筏板基础由钢筋混凝土筏板下设纵横钢筋混凝土梁组成。

a.施工过程。根据设计图纸，沿着横、纵向基础梁方向开挖基槽，浇筑梁垫层，支设基础梁模板，绑扎基础梁钢筋，浇筑混凝土，拆除梁模板，养护并对梁周边回填土夯实，浇筑上部薄板下垫层，支设上部板模板，绑扎板钢筋，浇筑板混凝土，拆除模板，养护。

b.性能特点。梁式筏板基础由筏板与梁协同工作，整体刚度大，筏板厚度降低，可以有效避免施工期间的温度裂缝，明显提高与GIS设备温度变形的协调性；伸缩缝之间各段筏板基础的整体刚度均匀连续，可以保证结构变形满足工艺要求；基础表面为一个整体平台，较好地满足了设备安装的精度和平整度的要求。基础有效厚度减少，基底附加应力降低，从而减少地基处理工程量，降低成本。

c.缺点。基础梁板混凝土需分两次浇筑，单位体积配筋率大，施工工艺比较复杂，模板工程量大，对地基承载力要求较高，施工工期比较长。

d.适用条件。适用于地质条件较差的地区，可以有效减少地基处理工程量。

1.3　支墩式筏板基础

图1　焊接连接方案

支墩式筏板基础由筏板及支墩组成。

a.施工过程。按照基础外形尺寸开挖基坑，支设底部筏板模板，绑扎钢筋，浇筑筏板混凝土，拆除模板养护，支设支墩模板，浇筑支墩混凝土，拆除模板养护。

b.性能特点。支墩式筏板基础筏板厚度相对较小，混凝土体积不大，施工方便，可以明显提高与GIS设备温度变形的协调性；伸缩缝之间各段筏板基础的整体刚度均匀连续，可以保证结构变形满足工艺要求，可以有效避免施工期间的温度裂缝；由于支墩式筏板基础厚度减少，基底自重明显降低，从而减少地基处理工程量，降低成本。

c.缺点。支墩式筏板基础不能满足设备安装的平整度要求，地面需进行二次硬化处理，支墩间需回填土，回填土施工质量不易控制。同时支墩数量众多、尺寸繁琐，施工精度不易控制，模板支护工程量、单位体积配筋率大，施工工期比较长。

d.适用条件。66～750 kV GIS基础均可以使用此基础形式，但不适用1 000 kV GIS设备基础。

1.4　箱型基础

箱型基础是由钢筋混凝土的底板、顶板和纵横墙体组成的整体结构。

a.施工过程。按照基础外形尺寸开挖基坑，浇筑垫层，绑扎箱型基础底板钢筋，浇筑箱型基础底板，支设箱型基础内模板，绑扎箱型基础肋板钢筋，浇筑肋板混凝土，绑扎顶板钢筋，浇筑顶板混凝土，拆除模板养护。

b.性能特点。箱型基础能够有效减小基底自重，基础刚度极大，节省混凝土，能够更好地控制沉降量。箱型基础最大厚度0.5 m，混凝土凝固时水化热能迅速消散；基础表面为一个整体平台，较好地满足了设备安装的精度和平整度的要求。箱型基础内空间能够被合理利用。

c.缺点。该基础结构复杂，对钢筋绑扎和模板施工提出较高要求，因此投资费用较高。

d.适用条件。适用于地质条件较好，干旱少雨地区，可应用于特高压变电站工程。

2　装配式GIS基础设计研究

结合我国西北某750 kV变电站中750 kV GIS设备情况，在施工图中确定了基础采用底部筏板加上部支墩形式，底部筏板现场浇制，上部支墩考虑预制，因此支墩与底部筏板的连接构造需通过试验和计算验证可行性。

根据GIS设备安装要求，墩式基础预埋钢板埋件或后植化学锚栓或预埋地脚螺栓连接。依据GIS基础的受力及结构特点，装配式基础与大板连接组装可行方案如下。

2.1　焊接连接方案

在大板基础上表面及墩式基础下表面对应位置预埋钢板，待预制墩式基础运至现场后，通过焊接方式实现二者对接(见图1)。该方案的优点：可实现GIS墩式基础站外预制，现场定位方便。缺点：现场焊接，需对焊缝做防腐处理。

2.2　地脚螺栓连接方案

地脚螺栓连接方案见图2。该方案优点：现场组装不受环境影响，安装方便。缺点：现场预埋地脚螺栓要求定位精度较高。

图2　地脚螺栓连接方案

2.3　螺栓连接方案

螺栓连接方案见图3。该方案优点：现场组装不受环境影响，安装方便。缺点：现场预埋件要求精度高，大板基础二次放阶，支模复杂。

图3　螺栓连接方案

3　装配式GIS基础试验及分析

3.1　理论计算分析

GIS设备的隔离开关、断路器基础预埋件的设计要求见表1。

表1　隔离开关、断路器基础预埋件的设计要求

根据GIS中主要设备特点，对地脚螺栓连接、焊接连接、螺栓连接3种连接方式进行计算分析。通过试验来验证上述装配式基础的可实施性。为保证结构安全、连接可靠以及运行设备正常、平稳工作，在施工现场根据设计要求制作模型基础进行水平加载试验，以获得此类连接方式的承载能力，最终在变电站GIS设备基础中实现应用。

3.1.1焊接连接

a.钢板焊缝。在支座顶部水平荷载V作用下，仅考虑支座角部处平行于剪力方向的一条焊缝，其承受剪力V1、拉力N1(或压力-N1)，其中在拉力N1作用下，焊缝所受平均应力σaver、端部最大正应力σmax分别为：

σaver=N1/(he×lw)

(1)

σmax=σaver×8/7

(2)

在剪力V1作用下，焊缝所受剪应力τf：

τf=V1/(he×lw)

(3)

式中：he为角焊缝计算厚度；lw为角焊缝的计算长度；N1=V/2，V1=V/4。

经计算，考虑钢板焊缝的水平荷载V≤111.4 kN。

b.角钢锚筋(4C12)。一侧角钢受拉力N2、剪力V2、弯矩M2，另一侧角钢受压力-N2、剪力V2、弯矩M2。保守起见，均按受拉力N2、剪力V2、弯矩M2考虑。

(4)

式中：As为锚筋的总截面面积；fy为钢筋抗拉强度设计值；V2为剪力设计值，取V/2；N2为法向拉力设计值，取V/4；M2为弯矩设计值；αr为钢筋层数影响系数；αv为锚筋的受剪承载力系数；αb为锚板的弯曲变形折减系数；z为沿剪力作用方向最外层锚筋中心线之间的距离[1]。

经计算，考虑角钢锚筋的水平荷载V≤115.9 kN。

c.钢板锚筋(4C12)。一侧角钢受拉力N3、剪力V3、弯矩M3，另一侧角钢受压力-N3、剪力V3、弯矩M3。为保守起见，均按受拉力N3、剪力V3、弯矩M3考虑。

(5)

式中：V3为剪力设计值，取V/2；N3为法向拉力设计值，取V/4；M3为弯矩设计值。

所以，考虑钢板锚筋的水平荷载V≤100.6 kN，焊接连接的水平荷载最大值Vmax=100.6 kN。

3.1.2地脚螺栓连接

考虑单个螺栓同时受剪力、弯矩作用：

(6)

所以，考虑地脚螺栓的水平荷载V≤254.4 kN[2]。

b.角钢锚筋(C12@150 mm)。一侧角钢受拉力N2、剪力V2、弯矩M2，另一侧角钢受压力-N2、剪力V2、弯矩M2。为保守起见，均按受拉力N2、剪力V2、弯矩M2考虑。

(7)

式中：V2取7V/9；N2取V/2。

所以，考虑角钢锚筋的水平荷载V≤174.1 kN，地脚螺栓连接的水平荷载最大值Vmax=174.1 kN。

3.1.3螺栓连接方式

考虑单个螺栓同时受剪力、弯矩作用：

(8)

经计算，考虑螺栓的水平荷载，V≤232.5 kN。

b.焊缝。在支座顶部水平荷载V作用下，为简化计算，仅考虑平行于剪力方向的焊缝，其承受剪力V1(V/4)、拉力2N1(或压力-2N1)，其中N1=0.391V(认为螺栓受力均为边缘处的最大拉力)。

(9)

经计算，考虑螺栓的水平荷载V≤187.5 kN，上下埋件螺栓连接方式的水平荷载最大值Vmax=187.5 kN。

从上述3种连接方式的理论计算可以看出，地脚螺栓连接与螺栓连接方式，水平抵抗力较强，且大小相当，焊接方式抵抗力只有其他2种方式的40%。

3.2　3种不同连接方式的现场试验

对于已预制好的支墩，由工人现场安装并采用相应连接方式。现场试验时，采用手动千斤顶进行加载，并由力传感器(量程300 kN)及数显装置对施加荷载进行监测；再对一侧支座进行试验，由邻近支座作为千斤顶的反力装置。

为保证试验安全及结果可靠，现场试验时采用分级加载，并在支座的两侧安排人员对可能出现的现象进行仔细监测，着重观察焊缝开裂、螺栓产生较大变形以及地基隆起、开裂等现象。装配式支座采用焊接连接、地脚螺栓连接及螺栓连接3种方式。

a.焊接连接方式。随着水平荷载的分级Vu增加，当加载至Vu=109.6 kN时，支座底部受拉侧混凝土出现水平裂缝并迅速扩展，此时水平荷载不再增加而裂缝区域不断增大；加载至破坏时，角钢连接处焊缝较为完好，但角钢内部与支座混凝土产生较大缝隙。

b.地脚螺栓连接方式。采用地脚螺栓连接的支座在试验过程中加载最大至Vu=119.6 kN时，试件未发生破坏，承载力较高。虽然本试验中预埋件角钢未发生变化，但由于角钢较薄，如果继续加载可能产生角钢刚度不够而产生变形。建议在角钢预埋件焊接加劲肋，避免在施工安装以及在水平推力作用下角钢出现较大变形。

c.螺栓连接方式。上下埋件连接方式采用螺栓连接，当荷载加至Vu=135 kN时基础出现倾斜此时荷载增加幅度较小，同时基础受拉一侧附近的地基出现较宽的裂缝，最终以地基松动而破坏。

对于焊接连接、地脚螺栓连接以及螺栓连接3种新型装配式支座连接方式，理论计算和现场试验承载力均满足设备使用要求，且裕度较大。现场安装时螺栓连接较易实现且承载力易于保证，地脚螺栓连接相对螺栓连接方式施工更简单，因此推荐地脚螺栓连接为最理想的连接方式。

4　技术与经济评价比较

通过对近期GIS设备基础设计的研究，提出适合工厂化加工或现场预制的设备基础方案，实现现场组装的基础形式，完成了预制基础方案设计。

4.1　装配式GIS基础的技术评价

750 kV及以下配电装置GIS基础多采用底板+支墩基础型式，墩式基础不进行归并情况下更有利于减少单个基础混凝土的浇筑量，避免基础产生裂缝；但支墩基础数量多，相同尺寸的单个基础较多，基础重复率高，单个墩式基础质量均不大于6 t，适合站外预制现场装配。

750 kV及以下配电装置GIS墩式基础与大板基础采用装配式是可行的，连接可采用焊接连接、地脚螺栓连接、螺栓连接等方案，通过计算各方案均能满足GIS设备对基础的受力要求；建议采用地脚螺栓连接方式，更有利于现场施工。

墩式基础与底板基础连接方案中需加强节点设计，特别注意构造的合理性，充分发挥基础的整体受力，从而提高基础的抗力水平。

4.2　装配式GIS基础的经济评价

以宁夏某750 kV变电站为例，变电站站址距离市区较近，可选择的商混站较多，商混单价较低，综合考虑模板、钢筋、预埋铁件、成品养护、人工及商混运输等费用，750 kV GIS基础每立方钢筋混凝土的折合费用为1 150元/m3。若采用装配式GIS基础，预制支墩场地选择站外，运输距离不超过10 km时，综合考虑装配式基础的运输费用、吊装费用、预埋地脚螺栓费用以及模板重复利用、降低钢筋配筋率及人工较省等因素，折合钢筋混凝土为980元/m3；由于装配式基础不受施工季节影响，冬季施工时可节省冬季施工费用260×104元，可有效缩短工期35天。若预制场地距离站址较远(大于10 km)，运输费用增长非常明显，成为控制因素，不宜采用；若预制支墩单个尺寸较大(短边大于2 m)，质量超过5 t，吊装费用增长非常明显，将成为控制因素，将不宜采用。

通过技术经济比较，可以看出装配式GIS基础时需综合考虑以下几个因素。

a.站内有可提供预制的场地，或站外有预制场地，但是距离不宜超过10 km。

b.在每个预制的支墩基础侧面均应设置足够的吊环，充分考虑吊装方便。

c.支墩基础尺寸不宜过大，每个支墩质量不宜超过5 t。

d.采用预制装配式基础时要充分考虑运输安装及施工组织存在的问题。

e.在电气设备资料不具备条件，并且工期紧张，受工程施工季节影响时，预制装配式GIS基础优势较大。

5　结论及建议

本文研究了GIS墩式基础连接的水平抵抗力，完成了现场试验，得出了装配式基础可以满足设备水平受力的结论。以下方面还可以进一步优化研究。

a.基础连接构造、节点设计还有很大优化空间，可以考虑榫式连接等构造措施；受现场条件限制，试验与理论计算偏差较大，建议优化设计后在试验室，模拟实际工作状态，完成水平、垂直受力的研究。

b.基于GIS墩式基础的装配式实现，开展变电构架基础的装配式研究工作，为实现设计标准化、施工机械化的建设水平而努力。

参考文献：

[1]混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].

[2]钢结构设计规范：GB 50017—2003[S].