变电站GSU模块装配式基础受力性能与数值分析

张慧洁 刘 超 高奔浩 王静峰，3，* 李景哲

（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.国家装配式建筑产业基地，合肥 230009）

0 引 言

随着我国大力发展建筑工业化，预制装配式建筑因“模块化设计、工业化生产和绿色化建造”等优点逐步得到应用和推广[1]。2006年，为实现资源节约、环境友好和工业化生产等目标，国家电网公司提出了建设“两型一化”变电站的要求[2]，大力推进绿色模块化变电站建设。混凝土预制装配式技术是实现变电站绿色模块化建设的主要方法之一[3]。

目前，混凝土预制装配式技术主要用于变电站地上部分的建造，如主控楼主体结构采用预制装配式混凝土结构，围墙采用预制装配式墙板等[4-5]。然而作为变电站核心设备的主变压器（GSU）基础仍以传统现浇混凝土施工为主，如图1所示，存在基础体积大、自重大、施工工期长、施工质量难以控制等问题。目前国内外尚缺乏GSU模块装配式基础研究和应用。

图1 主变压器及现浇混凝土基础Fig.1 GSU and cast-in-place concrete foundation

为此，本文以“标准化设计、工厂化生产、装配式施工”为设计思路，在确保结构受力合理的前提下，利用混凝土预制装配技术，充分考虑制作、运输、安装等多个环节，研发设计出了一种适用于主变压器（GSU）的新型装配式、模块化基础结构形式，并采用ABAQUS有限元程序建立了该装配式基础和地基的数值分析模型，分析其受力变形特点，探讨其设计计算方法，为其应用和推广提供参考依据。

1 GSU模块装配式基础设计

1.1 工程案例选取

本文工程案例选取国家电网安徽公司某220 kV变电站设计方案，参照国家电网公司输变电工程通用设计《220 kV～750 kV变电站设计技术规程》（DL/T 5218）[6]，工程地质、水文和气象条件参照合肥地区。

GSU基础上部荷载参考表1中电气信息。根据《变电站建筑结构设计技术规定》（DL/T 5457）[7]要求，当GSU设备正常运行时，主变设备基础的地基承载力验算按照轴心受压计算。变电站GSU基础的容许最大沉降差不得超过0.003l（l为地基基础的纵向长度）。GSU基础采用C30强度等级的混凝土，fc=14.30 N/mm2，ft=1.43 N/mm2；纵筋强度等级为 HRB400，fy=360 N/mm2，fy'=360 N/mm2；箍筋强度等级为HPB300，fy=270 N/mm2。地基基础的轴压标准值Nk=2 824.00 kN，轴压设计值N=3 812.40 kN。现浇混凝土设计方案尺寸为：长×宽×高=7 800 mm×4 400 mm×1 800 mm，如图2所示。

表1 GSU电气信息Table 1 GSU electrical information

图2 现浇基础尺寸图（单位：mm）Fig.2 Dimensional drawing of cast-in-place foundation（Unit：mm）

1.2 GSU模块装配式基础研发

由于传统变电站GSU现浇混凝土基础存在材料用量多、分层浇筑周期长、工程造价高等缺点，针对其荷载类型和受力特征，笔者研发了一种模块化装配式基础形式，即“梁柱一体化框架”结构形式。

GSU模块装配式基础由若干预制模块化基础单元组成，包括：①地基梁，用于承受上部结构和设备的全部荷载，且将自身重量传递到地基上；②基础梁，用于承受上部荷载，并将荷载传递到地基梁和地基上；③承台墩，用于增加基础埋深和整体刚度，将上部荷载传递到基础梁上；④承台梁，用于增加结构刚度，放置预埋件以支承电器变压器，并将设备荷载传递到承台墩上。上述4种预制混凝土构件可组成1个GSU装配式基础模块化单元，4个单元由水平套筒连接形成模块化GSU装配式基础整体，详细结构拆分思路如图3所示。传统现浇地基基础与本文研发的模块化GSU装配式基础对比如表2所示。

图3 GSU模块装配式基础拆分Fig.3 Splitting of GSU modular fabricated foundation

表2 GSU基础设计方案比对Table 2 Comparison of GSU foundation design schemes

针对GSU基础主要承担轴向静压力荷载的特点，GSU模块装配式基础的结构传力形式更加明确，在适当降低材料用量的基础上保持结构整体安全性，进行结构优化设计，可实现混凝土用量由148 t降低到52 t，节省混凝土约65%；施工过程采用全装配式施工流程，可有效缩短工程周期，提升工程环境效益。

2 GSU装配式基础有限元分析

2.1 数值分析模型

本文通过有限元程序ABAQUS建立了GSU模块装配式基础的数值分析模型，进行了受力性能分析。采用合理的材料本构关系，考虑材料的非线性、界面接触、边界条件和网格划分多尺度等问题，建立了合适的数值分析模型。通过ABAQUS的二次开发接口，将土体定义为“无限元”边界条件，可以真实模拟实际工程中基础-地基土体间的相互作用，充分考虑土体的沉降和自重应力等影响。该分析模型主要由无限元网格地基土、装配式基础、钢筋笼等部分组成，如图4所示。

图4 GSU模块装配式基础-无限元土体模型Fig.4 FEM of GSU prefabricated foundation and soil

2.2 材料本构关系

2.2.1 混凝土

本文中混凝土的本构关系参照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[8]中规定的混凝土单轴受压和受拉应力-应变曲线，如图5所示。

图5 混凝土单轴应力-应变关系曲线Fig.5 Uniaxial stress-strain curve of concrete

2.2.2 钢筋

钢筋的本构关系模型采用双折线应力-应变模型，弹性模量由材性试验得到。其表达式为

式中：εb、εb，u分别为钢筋的屈服应变和极限应变；fb、fb，u为钢筋的屈服强度和极限强度；Eb为钢筋的弹性模量，取Eb=tanθ=fb/εb；Eb’为钢筋强化段模量，本文近似取0.01E。b

2.2.3 土体

本模型将土体看作一种弹塑性非线性材料，为了提高计算收敛性，采用Drucker-Prager屈服准则[9]来模拟其变形。输入ABAQUS程序的主要材料参数如表3所示。

表3 土体主要材料参数Table 3 Material parameters of soil

2.3 参数设置

2.3.1 单元类型

本文中数值分析模型采用ABAQUS的Standard&Explicit求解器，对于混凝土和内部土体单元采用八节点减缩积分实体单元C3D8R，考虑实际加载情况，承台梁上部分别放置八块刚性垫板。钢筋笼单元类型为两节点三维桁架单元T3D2。土体尺寸为基础尺寸的2倍以上，其中长度为16.4 m、宽度为9.2 m、深度为3.2 m。为了真实模拟出实际土体四周无限大的情况，降低土体边界条件对于计算精度的影响，本文对于最外部的土体单元通过ABAQUS中的二次开发接口修改土体单元类型，将其定义为无限元三维实体单元CIN3D8。

2.3.2 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[10]。本模型的内侧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），钢筋笼单元尺寸为100 mm，土体和基础相互作用部位网格尺寸为基础整体长度的1/8，距离基础较远的土体网格尺寸为300～350 mm，最外层土体单元则设置为无限元单元，单位网格划分如图4所示。

2.3.3 接触设置

GSU模块装配式基础的各个部件之间的接触设定为绑定约束（Tie）。混凝土部分和钢筋骨架之间通过嵌入区域约束（Embedded region）进行模拟。

GSU模块装配式基础与周围土体之间通过面与面接触（Surface-to-surface contact）进行模拟。接触面间的切向作用采用库伦摩擦模型，选择“罚”函数（Penalty），摩擦系数取0.6，法线方向采用“硬接触”（Hard）。

2.3.4 边界条件和加载方式

本模型采用无限元方式施加土体边界条件，可以真实模拟出土体环境。通过在GSU模块装配式基础顶部100 mm处建立参考点RP1，使用“耦合”（Coupling）命令将其与基础顶部受力承台梁端面进行约束，在参考点上施加约束荷载对基础模型开展全过程非线性受力分析。通过设立多个分析步（Step）实现模型自重应力的施加，进行模块化GSU装配式基础在上部荷载与自重等影响下的结构分析。

3 数值模拟结果与分析

3.1 地基土体应力分析

如图6所示，选取无限元单元地基土体中部剖面应力进行应力状态分析。本文中模块化GSU装配式基础承受轴向压力，提取Z方向应力（S33）进行分析。地基土的应力基本呈现出锥形向下扩散，其中基础底面与土体接触面上的接触应力为116.4 kPa，小于设计给出的地基承载力特征值150 kPa。且该数值与按照现有规范计算得到的114.45 kPa地基承载力仅相差1.70%，有限元分析与规范计算结果接近，表明GSU模块装配式基础的地基承载力可以按照现行国家规范进行计算。

图6 地基土剖面压应力（单位：Pa）Fig.6 Compressive stress in the foundation soil profile（Unit：Pa）

为进一步明确地基应力传递路径，结合图7的地基土体模型的底面应力，地基应力在Z方向上的传递类似于“圆台”形，其典型特征为：由上部向下部扩散，由中间向四周扩散，其扩散角与地基土体的基本力学指标有关。

图7 地基土体底面压应力（单位：Pa）Fig.7 Compressive stress at the bottom surface of foundation soil（Unit：Pa）

3.2 基础构件与连接处应力分析

图8表明了应力在基础内的分布情况和传递规律，混凝土构件内部的压应力随着埋入土体深度的增加而逐渐减少，其中承台梁的混凝土最大压应力为0.71 MPa，承台墩的混凝土最大压应力为0.51 MPa，基础梁的混凝土最大压应力为0.29 MPa，地基梁的最大压应力为0.24 MPa。以上数据均明显小于C30混凝土的抗压强度设计值14.3 MPa，这说明本文所研发的模块化GSU装配式基础在正常使用阶段能够满足强度设计要求；随着基础构件的埋入深度增加，压应力逐渐减小也说明了基础内部的应力传递路径合理，不存在应力集中现象。

图8 GSU模块装配式基础Mises应力（单位：Pa）Fig.8 Mises stress of the GSU foundation member（Unit：Pa）

对于本模型的装配式构件连接处，在ABAQUS中提取钢筋笼的Mises应力分析受力特性。如图9所示，在正常使用荷载工况中，钢筋均处于低应力水平，其最大拉应力为0.96 MPa，而连接处的最大钢筋应力值为0.68 MPa，两者均远远小于钢筋的屈服强度强度。说明GSU模块装配式基础的配筋和装配式连接处均可满足正常使用需求。

图9 GSU装配式基础钢筋应力（单位：Pa）Fig.9 Reinforcement stress of the GSU foundation（Unit：Pa）

3.3 基础整体沉降分析

根据《变电站建筑结构设计技术规定》（DL/T 5457—2012）[6]要求：GSU基础的容许沉降不得超过0.003l=24 mm。根据数值模拟结果，本文提取基础顶部8个控制点和基础底部12个控制点，计算其沉降值并绘制出基础各控制点沉降，如图10、图11所示。

图10 GSU模块装配式基础控制点沉降（单位：m）Fig.10 Settlement of the GSU foundation（Unit：m）

图11 GSU模块装配式基础沉降曲线Fig.11 Settlement curve of the GSU foundation

GSU模块装配式基础控制点平均沉降值为2.2 mm，满足规范要求。基础整体沉降较为均匀，其中中部沉降略大，四周沉降较小，这是因为基础中部受荷较大，应力大，沉降也较大。由图11可知（横坐标自左向右分别为各构件的缩写），基础各构件的沉降自下而上逐渐增加，这是由于随着埋入深度的增加，基础的抗沉降能力也逐步增加。计算分析表明GSU模块装配式基础能够完全满足主变设备的正常运作要求，并且留有安全储备。

结合表2、表4所示，相对于传统主变压器大体积混凝土基础，本文所研发的GSU模块装配式基础的各项基本参数均能够满足规范设计要求，提升社会经济和环境保护效益。

表4 GSU模块装配式基础数值模拟结果Table 4 Numerical results of the GSU foundation

4 结论

（1）结合GSU基础的受力特点，研发设计了一种新型模块装配式混凝土基础，该新型基础可以在确保结构安全的前提下降低工程用料量，提高施工效率，有显著的社会经济和环境效益。

（2）建立了“GSU模块装配式基础-无限元地基土”相互作用有限元模型，可有效地计算GSU模块装配式混凝土基础的地基承载力、连接处构件应力和基础沉降等数据。

（3）有限元分析结果表明GSU模块装配式混凝土基础的地基承载力计算可根据现行国家规范规定方法进行该类基础的设计计算，基础整体沉降均匀，最大沉降值满足规范要求，研发设计方法合理可行。