預制艙支腿式地基抗震分析

殷帥兵 魏 偉 張 棒 呂志娟 閆建華 丁麗平

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，以及“雙碳目標”的提出[1，2]，變電站、新能源儲能站的建設(shè)需求逐步增強[3，4]。預制艙作為變電站以及新能源儲能站建設(shè)的重要設(shè)備之一，以其加快整站建設(shè)速度、縮短建設(shè)周期的優(yōu)勢，很好地滿足了變電站建設(shè)“快”的要求。

近年來，越來越多的變電站和儲能站項目建設(shè)地點偏僻，甚至出現(xiàn)在沿海灘涂、濕地沼澤等環(huán)境惡劣的地方，傳統(tǒng)的水泥澆筑式地基已不能滿足需求。本文針對以上項目需求，設(shè)計了一種支腿式預制艙地基，并對地基進行了抗震工況的分析，確保其使用的可靠性，很好地滿足項目需求。

1 預制艙支腿式地基介紹

傳統(tǒng)的水泥砌筑式地基如圖1所示，是目前工程上應用最廣泛的預制艙地基形式，其特點是結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、可靠性好，缺點是建設(shè)周期長，受地形限制較大。

支腿式地基如圖2所示，采用H型鋼兩端焊接法蘭板的形式。預制艙通過法蘭板連接于地基之上，如圖3所示。可根據(jù)預制艙的長度設(shè)計支腿式地基的個數(shù)，其特點是可用于沼澤地、沿海灘涂等惡劣環(huán)境，建設(shè)成本低，預制式生產(chǎn)，建設(shè)周期短。

2 仿真計算

對支腿式預制艙地基，其主要工況為承重工況及抗震工況，其中抗震工況為最為惡劣的工況。本文對支腿式預制艙支架應用于預制艙產(chǎn)品時的抗震工況進行仿真分析，驗證其抗震性能。由于支腿式地基所應用的地點不定，因此本文按照高標準要求，對其進行設(shè)防烈度為9°的抗震分析。

2.1 模型簡化和網(wǎng)格劃分

根據(jù)仿真分析需要，對預制艙及支腿式地基整體進行模型簡化，保留預制艙底座骨架及支腿式地基。簡化掉的重量包括：預制艙內(nèi)二次平柜24臺，每臺重300 kg，共重7 200 kg；預制艙圍框及頂蓋重5 400 kg；底座簡化掉部分重2 100 kg。

網(wǎng)格劃分是仿真分析重要的準備環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解精度、求解收斂性和求解速度。細化網(wǎng)格可以使計算結(jié)果更精確，但是會增加CPU計算時間、需要更大的存儲空間。因此，網(wǎng)格劃分時需要權(quán)衡計算成本和細化網(wǎng)格之間的矛盾。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。共有185 092個有限元網(wǎng)格單元，有810 207個有限元節(jié)點。

2.2 有預應力的模態(tài)分析

在模態(tài)分析之前，將模型中簡化掉的重量施加于相應部位，對預制艙底座簡化模型進行有預應力的模態(tài)分析，以達到和實際工況更加接近的效果。在支腿式地基底部法蘭板添加固定約束，將簡化掉部分的等效重量添加在其實際作用的相應部位，并且施加簡化模型自重。經(jīng)過模態(tài)分析得到預制艙底座前六階振型的固有頻率及振型如表1所示，結(jié)構(gòu)固有振型如圖5所示。

表1 前六階固有頻率和振型

2.3 地震工況仿真分析

基于以上模態(tài)分析結(jié)果，依據(jù)GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》，對預制艙底座及支腿式地基整體進行抗震設(shè)防烈度為9°的仿真分析，地面水平加速度為0.4g，地面垂直加速度為水平加速度的65%，標準反應譜曲線如圖6所示[5]。

根據(jù)實際情況，同時施加X、Y、Z三個方向的地震反應譜。經(jīng)過仿真分析得到其應力云圖和變形云圖分別如圖7和圖8所示。

預制艙底座及地基采用的材料的屈服極限為235 MPa，從圖7可以看出，預制艙底座在設(shè)防烈度為9°的抗震工況下的最大應力為39.1 MPa，遠小于235 MPa的屈服強度，說明9°抗震工況下預制艙底座不會發(fā)生屈服破壞情況[6]。從圖8中可以看出，預制艙底座在地震工況下的最大變形量為1.19 mm，變形量很小，滿足工作要求。

3 結(jié)語

針對沼澤、濕地和沿海灘涂等特殊環(huán)境需求，設(shè)計了預制艙支腿式地基。對預制艙和支腿式預制艙地基整體進行了有預應力的模態(tài)分析以及設(shè)防烈度為9度的抗地震分析，預制艙底座應力和變形均在允許范圍內(nèi)。分析結(jié)果表明，支腿式預制艙地基可以滿足預制艙工作要求，證明了其設(shè)計的合理性和有效性。