电力行业装配式基础研究现状

李 辉，王小平

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

2012年，国家电网公司全面开展标准配送式智能变电站试点建设，推行“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”，即对变电站内建筑物采用通用设计方案，实现变电站的标准化建设。

装配式基础具有标准化生产、现场安装简单、施工速度快、质量高和对周围环境影响小等优势，是我国电力行业未来发展的方向。但根据目前所查资料，电力行业的装配式基础主要在输电线路铁塔中得到了应用，而变电站设备和建筑中目前仍然采用的是现浇混凝土基础，存在工序复杂、工程质量良莠不齐、施工周期难以控制和施工场地文明管理难度大的缺点[1，2]。

该文在参考大量相关文献的基础上，总结了电力行业装配式基础特别是输变电工程装配式基础在国内外的研究和应用现状，为未来装配式基础的推广和研究提供参考。

1 国外建筑及电力行业装配式基础研究

荣洋[3]认为目前电力设备装配式基础国内外开发、研究和应用最多的主要是用于杆塔结构的装配式阶型(或独立)基础。目前传统GIS设备混凝土筏板基础存在不足，应探索采用装配式混凝土基础。

格鲁什曼 M C[4]介绍了前苏联为实现建筑工业化和降低成本的目的，大力发展的几种大体积装配式基础：间断式基础、砌块基础、栅格式基础。

Vodicka[5]介绍了一种用于桥梁、立交桥的钢-混凝土组合结构的装配式基础系统，由H型钢柱、与基础连接用的柱脚套筒、水平支撑、找平梁和混凝土基础底板通过焊接组成的基础系统。

Silber等[6]介绍了一种由多个预制板连接的装配式塔架基础，这种基础可以根据上部塔架的形状做成正方形、矩形、圆形、八角形或任意形状，预制件上预留有螺栓孔，同时底部的预制件上预埋内攻丝套筒，两者通过螺栓连接成为整体。

文献[7]介绍了一种用于大高度塔架的自稳定装配式基础，主要由3个预制钢筋混凝土构件使用螺栓连接形成底座，然后和型钢支架拼装，最后将两组相同质量的砝码放置在塔体两侧型钢上组成可自稳定的装配式基础。

Rasmussen等[8]提出了一种由膨胀聚苯乙烯材料制作、用于低层住宅的墙下条形装配式基础。这种基础不仅安装简便、施工迅速，且保温性能优良，对地基土温度的影响较小，可以有效防止地基土冻融造成的基础沉降开裂。

Yu等[9]提出了一种新型混凝土装配式基础系统，由通过螺栓拼接的模块化肋板组成，这套系统不仅可用于预制混凝土墙板、车库底板和预制混凝土车道或人行道的基础，同时兼顾了隔热功能。

Frey[10]介绍了一种柱下笼式装配式基础，这种笼式基础可以做成方形或者圆形且顶部开口，侧壁进行加固，使用时将柱子插入基础开口后再浇筑混凝土形成整体。

文献[11]提出了一种可调节的风力涡轮机塔架装配式基础，基础由基座和上部可调节的中心容纳室组成，中心容纳室四周开孔，用于外部电缆的安装固定。

Neville[12]介绍了一种用于建筑物的模块化框架基础，是由多个预制刚性连接件、混凝土基础底板和顶板、内部支撑和基础墙板在现场组装成整体。

Ester等[13]从环境角度对装配式和现浇基础进行了全生命周期评估，认为装配式有如下优点：因为生产过程有着更好的监管，从而使得预制件的质量更有保证；在建筑设计的早期阶段使用固定的设计，可以使得成本更低、施工时间更短；采用预制构件，避免了现浇混凝土所需的复杂支模过程；现场施工不仅受天气条件影响较小，而且可以减少现场事故、场地更加干净整洁、减少废物和温室气体排放。

2 国内电力设备和构筑物装配式基础研究

自2012年国家电网公司推行“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”以来，各地电网公司、高校和研究院所均开展了电力设备和构筑物装配式基础的研究和应用。

肖向东[1]、梁培新[2]等对我国广泛应用的110 kV变电站主要构筑物，例如围墙、户外防火墙、户外构架和单层的生产综合室等地上构筑物开展了装配式设计和相关建造技术的探索，研究发现装配式混凝土柱-钢梁组合结构能够完美实现全装配化施工，并提出了一种新型的预应力压接式柱脚。

张飞强[14]对钢结构装配式变电站的主要建筑物、电缆沟、围墙及模块化电气施工技术进行了探讨。在上述研究成果的支撑下，各地电网公司已经将这些成果在一批试点工程中成功应用，同时将已经制定的一系列规范110 kV变电站工业化建设的设计和建造标准进行推广。

我国国土幅员辽阔，地质地貌条件复杂，电能分布区域差异性大。因此输电线路常需要穿越在我国广泛分布的沙漠、高寒冻土地区，但是这些地区因地基土性质特殊，砂石料和水等建筑材料匮乏而且交通运输困难，从而使得现场浇筑混凝土的难度增大。而使用装配式基础不仅可以避免上述不利因素，而且可以最大限度地减少对特殊地质的扰动和对地表植被的破坏，因此装配式基础在输电线路的塔架建设中应用相对更加广泛、技术更加成熟。

乾增珍等[15]在塔克拉玛干沙漠对一种由混凝土板条作为底板，上部连接角钢支架组成的装配式基础进行了在下压+水平力组合作用下的现场足尺试验；试验发现了这种装配式基础在荷载工况下的受力变化过程、变形特性和地基土压力的变化规律，并得到了这种基础的极限下压承载力。

程永锋等[16]在塔克拉玛干沙漠对应用于输电线路的装配式基础进行了现场足尺试验。这种基础由若干混凝土板条、钢筋混凝土横梁及上部角钢支架组成；试验监测了三组试件分别在上拔和下压荷载与两个方向水平荷载组合下的承载变形规律，得到了该种装配式基础在当地土体中的上拔角。

鲁先龙等[17]对一种在冻土地区使用的装配式扩展基础的抗压性能进行了室内足尺试验，该种基础将整个直柱斜截面扩展基础进行分块预制，再通过槽钢、法兰盘和预埋锚栓拼接而成；通过对竖向加载过程中各构件的位移、地基土压力和连接件应力的全过程监测，获得了基础在竖向荷载作用下协同工作的性能。

乾增珍等[18]在宁夏毛乌素沙漠进行了装配式偏心基础的现场试验研究，考虑了上拔和上拔+水平力组合的两种荷载工况；通过对加载过程的监测以及对基础底板和沙土地基相互作用的分析，发现了该种装配式基础的抗拔承载机制以及在上拔+水平力的荷载组合作用下极限抗拔承载力更高。

鲁先龙等[19]对一种应用于冻土地区的预制装配式扩展基础的抗拔性能进行了室内足尺试验，该种装配式基础是将整个直柱斜截面扩展基础进行分块预制，再由槽钢、法兰盘和预埋锚栓拼接而成；作者研究了在上拔荷载作用下，基础各构件在试验过程中的变形、应力变化规律和协同工作的能力，以及给出了该种基础的上拔承载力计算公式和上拔角具体数值。

赵琦等[20]对湖北省境内某一受冰灾倒塌的直线输电塔进行抗冰抢险时首次使用的金属装配式基础进行了分析研究，提出了这种基础的具体施工工艺，并在该线路恢复运行后对基础进行了连续、周期性地监测，认为基础的沉降量均满足规范要求，输电塔运行过程安全、稳定。

鲁先龙等[21]在我国三处典型沙漠地区对25个扩展基础进行了上拔和上拔+水平荷载组合工况的现场足尺试验，其中扩展基础包括三类现浇混凝土基础和三类装配式混凝土基础，装配式基础是由混凝土板条和混凝土横梁通过螺栓连接组成的基础底板，再与基础立柱通过螺栓相连拼接成整体。试验获得了这六类基础的受力变化全过程曲线、确定了各个类型基础的极限承载力、各沙漠地区的上拔角和主要影响参数。

陶亮等[22]对预制混凝土板条、横梁与支柱组合的装配式基础进行了优缺点分析，提出了将厚重的混凝土预制件进行积木式拆分后再预制的新型“穿心装配式基础”，计算了基础在上拔或下压荷载作用下的整体稳定性和极限承载力。

徐帅等[23]针对东北地区特殊的地质条件以及近年来输变电工程持续增大的电压等级，设计了一种适用于高水位砂土地基的装配式空心桩基础，各环形预制件先通过高强螺栓竖向连接，再通过坐浆对接形成整体；作者探索了这种装配式基础的连接形式和施工方法，并进行了抗倾覆稳定计算，验证了地基的承载力和基础的抗浮稳定性。

查晓雄等[24]提出了一种新型装配式偏心基础，基础除混凝土底板外均由矩形钢管组成，最后通过焊接形成整体；作者首先利用土重法计算了基础的极限抗拔承载力，再通过数值模拟和室内缩尺试验对理论计算进行验证，并对基础在上拔和水平力的组合作用下进行了受力和变形的全过程分析。

王健等[25]提出了一种适用于灾后快抢快建的配网杆塔装配式基础，基础由钢结构支架和槽钢底板组成，施工时通过螺栓将两部分拼接成整体后再用混凝土进行包封；研究了该种装配式基础在不同粘土地基上的极限承载力及其破坏模式，讨论了基础尺寸对承载力的影响。

国内研究学者虽然对变电站装配式基础的研究较少，但是还是有学者给出了相关的设计思路。陈杨波等[26]提出了一种应用于箱式变电站的装配式基础，这种基础是由柱、圈梁和支撑梁通过铰链组成类框架结构；通过对其稳定性和承载力的计算，认为这种基础是安全可靠的。

贾克音等[27]根据传统变电站设备基础的设计思路，通过将基础整体合理拆分成若干小型构件，再由可靠的连接手段组成装配式基础的方式，设计了4种不同的装配式基础，详细介绍了这些基础的构成以及连接方式。

李志明等[28]为解决变电站在更换、扩容等改造时，需要对电力设备进行负荷转移而使用临时砌块或混凝土基础的种种不利因素，提出了一种可以现场快速组装、重复使用，同时基础的全寿命周期成本较低的钢结构装配式基础。基础将整体分解为4个空间桁架，桁架内部杆件通过焊接连接，桁架之间使用螺栓连接；使用PKPM软件对钢框架进行了验算，并在无锡供电公司的黄泥头变电站进行了实际应用。

殷占全等[29]总结GIS设备基础设计的优缺点,以我国西北某750 kV变电站为依托,对该基础设计进行优化,提出适合工厂化加工或场外预制的设备基础方案,实现现场组装的基础形式,从而减小基础混凝土开裂。

3 目前电力行业装配式基础常用形式

总结和分析国内外研究现状可知，国家电网公司虽大力推进装配式电力产品的研发与应用，但有关装配式基础的研发却起步较晚且应用范围不广。目前国内外发明、研究和应用最广、技术最成熟的装配式基础主要集中在电力工程的输电线塔架中，且一般采用的是装配式扩展基础，而根据支架是否偏心分为支柱式和斜柱式扩展基础。

目前有关电力行业研究较多的装配式基础形式有如下三类：

1)装配式钢结构基础。由若干型钢或型钢组成的桁架再通过焊接或螺栓连接成整体。这类基础的构件较轻且制作安装简单；但对防锈及防腐的要求较高，仅用在变电站改、扩建时作为临时基础使用。

2)装配式混凝土基础。将独立基础适当拆分成若干预制件，再把预制件通过可靠连接方式组成整体。这类基础往往是针对某一特定工程设计，常常存在通用性较差、预制件体积和质量较大导致运输费用高以及现场往往不可避免地需要进行混凝土二次浇筑的问题。

3)装配式钢结构+混凝土基础。其设计思路通常是由若干块混凝土板条组成基础的底板，再与型钢支架连接组成整体。这类基础制作安装简便、经济优势明显且技术比较成熟，已经被广泛使用在输电线路工程中。

除此之外，还有一些学者针对具体的工程项目研发出一些特殊的装配式基础，例如装配式箱型基础、钢-混凝土组合可调节基础和集成装配式基础系统等。

4 结 论

在电力工程建设中，装配式基础的研究和应用均处于萌芽阶段，仅在输变电工程中有一定程度的应用，变电站装配式基础研究尚未展开。

目前针对电力工程装配式基础研究和应用最为成熟的是输电线路的装配式独立扩展基础，而有关变电站装配式基础的研究思路为：对基础进行积木式拆分；在预制厂中制作各部分构件；运抵现场后进行定位、连接或者混凝土的二次浇筑。这种装配式混凝土基础大多是针对某项特定的工程而进行设计、生产，因此存在着通用性差、工业化生产和标准化程度不高、现场需要混凝土灌浆、预制件尺寸较大易造成运输困难等弊端，并且尚未在工程中进行应用。