预制舱支腿式地基抗震分析

殷帅兵 魏 伟 张 棒 吕志娟 闫建华 丁丽平

（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

随着我国国民经济的发展，城市规模不断扩大，以及“双碳目标”的提出[1，2]，变电站、新能源储能站的建设需求逐步增强[3，4]。预制舱作为变电站以及新能源储能站建设的重要设备之一，以其加快整站建设速度、缩短建设周期的优势，很好地满足了变电站建设“快”的要求。

近年来，越来越多的变电站和储能站项目建设地点偏僻，甚至出现在沿海滩涂、湿地沼泽等环境恶劣的地方，传统的水泥浇筑式地基已不能满足需求。本文针对以上项目需求，设计了一种支腿式预制舱地基，并对地基进行了抗震工况的分析，确保其使用的可靠性，很好地满足项目需求。

1 预制舱支腿式地基介绍

传统的水泥砌筑式地基如图1所示，是目前工程上应用最广泛的预制舱地基形式，其特点是结构稳固、可靠性好，缺点是建设周期长，受地形限制较大。

支腿式地基如图2所示，采用H型钢两端焊接法兰板的形式。预制舱通过法兰板连接于地基之上，如图3所示。可根据预制舱的长度设计支腿式地基的个数，其特点是可用于沼泽地、沿海滩涂等恶劣环境，建设成本低，预制式生产，建设周期短。

2 仿真计算

对支腿式预制舱地基，其主要工况为承重工况及抗震工况，其中抗震工况为最为恶劣的工况。本文对支腿式预制舱支架应用于预制舱产品时的抗震工况进行仿真分析，验证其抗震性能。由于支腿式地基所应用的地点不定，因此本文按照高标准要求，对其进行设防烈度为9°的抗震分析。

2.1 模型简化和网格划分

根据仿真分析需要，对预制舱及支腿式地基整体进行模型简化，保留预制舱底座骨架及支腿式地基。简化掉的重量包括：预制舱内二次平柜24台，每台重300 kg，共重7 200 kg；预制舱围框及顶盖重5 400 kg；底座简化掉部分重2 100 kg。

网格划分是仿真分析重要的准备环节，网格质量直接影响到求解精度、求解收敛性和求解速度。细化网格可以使计算结果更精确，但是会增加CPU计算时间、需要更大的存储空间。因此，网格划分时需要权衡计算成本和细化网格之间的矛盾。网格划分结果如图4所示。共有185 092个有限元网格单元，有810 207个有限元节点。

2.2 有预应力的模态分析

在模态分析之前，将模型中简化掉的重量施加于相应部位，对预制舱底座简化模型进行有预应力的模态分析，以达到和实际工况更加接近的效果。在支腿式地基底部法兰板添加固定约束，将简化掉部分的等效重量添加在其实际作用的相应部位，并且施加简化模型自重。经过模态分析得到预制舱底座前六阶振型的固有频率及振型如表1所示，结构固有振型如图5所示。

表1 前六阶固有频率和振型

2.3 地震工况仿真分析

基于以上模态分析结果，依据GB 50260—2013《电力设施抗震设计规范》，对预制舱底座及支腿式地基整体进行抗震设防烈度为9°的仿真分析，地面水平加速度为0.4g，地面垂直加速度为水平加速度的65%，标准反应谱曲线如图6所示[5]。

根据实际情况，同时施加X、Y、Z三个方向的地震反应谱。经过仿真分析得到其应力云图和变形云图分别如图7和图8所示。

预制舱底座及地基采用的材料的屈服极限为235 MPa，从图7可以看出，预制舱底座在设防烈度为9°的抗震工况下的最大应力为39.1 MPa，远小于235 MPa的屈服强度，说明9°抗震工况下预制舱底座不会发生屈服破坏情况[6]。从图8中可以看出，预制舱底座在地震工况下的最大变形量为1.19 mm，变形量很小，满足工作要求。

3 结语

针对沼泽、湿地和沿海滩涂等特殊环境需求，设计了预制舱支腿式地基。对预制舱和支腿式预制舱地基整体进行了有预应力的模态分析以及设防烈度为9度的抗地震分析，预制舱底座应力和变形均在允许范围内。分析结果表明，支腿式预制舱地基可以满足预制舱工作要求，证明了其设计的合理性和有效性。