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淺談鋼結構預制基礎


2020-12-10

摘  要:鋼結構預制基礎相比傳統土建基礎具有省時省力、經濟易管理、精準度高、節能環保的特點。鑒于此,對鋼結構預制艙基礎和傳統土建基礎建設成本做了一定的對比分析,并提出了簡要的設計思路。

關鍵詞:預裝式模塊化變電站;工廠預制裝配式預制艙基礎;鋼結構預制基礎

0  引言

      預裝式變電站由于工業化生產、工廠組裝、建設周期短、設備安裝方便、建設成本低等特點已得到廣泛運用。但預制艙基礎仍采用現場開挖等傳統土建方式,因建設周期長、完成度差、質量難以控制等缺陷,其已成為預裝式變電站建設的痛點。鋼結構預制基礎采用現代化、工業化、產業化的生產工藝與成熟的施工技術,外形美觀大方,優化了預裝式變電站的感觀,提高了產品穩定性、可靠性,具有極大的推廣價值;并能進一步減少現場土建工作,很大程度上消除變電站建設過程中時間不可控的痛點,節約建設成本,縮短時間成本。

1  鋼結構預制基礎與傳統土建基礎的成本分析

 1.1  省時省力

      傳統土建基礎為鋼混或磚混結構,需在現場先進行土石方作業,開挖出預制艙下地下電纜室和各艙體電纜溝等設施。在主要施工開始前還需要進行道路平整、通水通電等前期準備工作,總體建設時間需要1.5個月甚至更久,且嚴重受環境和天氣影響。設備進場前,還需對前期壓壞的路面進行二次平整,方能滿足設備安裝條件。鋼結構預制基礎具有現代建造的明顯優越性:工廠生產優勢——對生產全過程(采購、設計、車間生產、物流、施工、維護)實施質量系統管理,進行合理化生產;產業化生產優勢——依托全產業鏈的現代化、產業集群效應,利用行業內資源互補如采用更優異的加工方式,地區資源互補如生產地更靠近材料、設備集散地等。因此,鋼結構預制基礎具有不受環境等條件影響,施工周期更短、周轉快、實現便捷的特點,且能和預制艙同步發貨,同步施工。傳統土建基礎與鋼結構預制基礎主要施工用時對比如表1所示,鋼結構預制基礎工廠預總裝接線調試如圖1所示。


 

1.2  經濟易管理

      傳統基礎建造工程中,需要大量人力完成如清槽、鋼筋綁扎、支模板、搭腳手架等工作,耗時費力;需要大量物力運送砂石、鋼筋等原料,占用大量場地;采用大量工程機械,包括推土機、挖掘機、渣土車、攪拌機、卷揚機、混凝土泵等中大型設備;且大量人機混作,現場難以采取緊密的安全措施,容易產生機械傷害、跌落、漏電等安全風險,給安全管理工作帶來極大壓力。    
      鋼結構預制基礎每道工具基本只需1~2名工人,大大減少了人力的使用;物料僅需型鋼、鋼板、螺栓等,材料即來即用即整理,不僅用料節省,而且減少了場地占用;生產設備僅需鋸床、激光設備、焊機、角磨機等,現場施工時也僅需完成一些吊裝、拼接的工作;在工廠成熟的安全管理體系下,安全風險小,管理簡便。
傳統土建基礎與鋼結構預制基礎現場施工器械對比如表2所示。

 

1.3  精準度高
      傳統基礎由于現場施工條件復雜、不易測量等原因,精確度一般為厘米級,預制艙就位時經常只能以墊片的方式保證水平度,如圖2所示?,F場土建基礎與預制艙的不匹配已成為現場施工方與預制艙廠家發生爭執的主要原因,一旦確定土建基礎不合格,各方商洽和改造的耗費起碼能占到該項工程造價的5%,是一筆可觀的費用。鋼結構預制基礎工廠化生產和質檢,精確度為毫米級,現場只需少許調整工作即可投入使用,如圖3所示。

  

 

1.4  節能環保
       傳統基礎施工大量工程車輛的使用,不僅增加了排放污染,還耗費了大量能源;在建設過程中混凝土作業需要使用大量水源進行配成和養護,同時需要使用一次性模板,消耗大量木材;工地由于沒有完善的處理措施,大量的生活垃圾和建筑垃圾會對當地土壤和水源造成極大污染。   
       鋼結構預制基礎與傳統基礎相比,節水95%、節材80%、減排50%、減少工業垃圾90%。且鋼結構預制基礎主體材料90%可回收,對環境十分友好。

2 鋼結構預制基礎的關鍵技術 


2.1  分離設計    
  2.1.1  結構選型、模組劃分、構件布置
       為了便于運輸,鋼結構預制基礎應設計成模組化構件,各模組應根據項目實際情況需要進行劃分,并設計好各模組組裝方式。模組的劃分和組裝應綜合考慮項目的承載需求、預制艙的連接方式、現場組裝施工的便捷性。對于重量較輕的預制艙在滿足連接抗剪的前提下,可按支柱—承載平臺—圍護劃分模組;對于重量較大的預制艙,為了滿足抗震需求結構方案設計,可按支柱—梁系—輔助連接—圍護劃分模組。 

      
  2.1.2  材料選用        
      按現場環境情況選擇材料,主受力構件應選用B級以上鋼材;一級安全等級場所應選用C級以上鋼材,并采用防連續倒塌設計;寒冷地區應根據現場極端低溫選用D級甚至E級型鋼。

                                                                                                                                                                
  2.1.3  作用及作用效應分析、結構的極限狀態驗算
      設計時應符合國家現行標準《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB 50068—2001)和《工程結構可靠度設計統一標準》(GB 50153—1992)的規定,一般情況下建議按二級安全等級驗算,特殊情況下也不得低于三級;對于簡單的結構可按均布載荷簡化分析,如圖4所示。若項目特殊或為了優化設計,建議借助計算機模擬做有限元分析。
    

 

   2.1.4  結構、構件及連接的構造    
      梁柱連接節點盡量采用栓接連接,必要時采用栓焊混合連接。梁柱采用剛性或半剛性節點時,節點應進行在彎矩和剪力作用下的強度驗算。當梁柱采用剛性連接時,對應于梁翼緣的柱腹板部位宜設置橫向加勁肋。                                               
      采用端板連接的節點,應符合下列要求:
  (1)連接應采用高強度螺栓;
  (2)螺栓應成對稱布置,并滿足擰緊螺栓的施工要求。


   2.1.5  防腐維護等要求      
      鋼結構防腐設計應充分考慮現場環境介質的腐蝕性,可參照ISO規范中C1~C5劃分設計防腐工藝,但建議防腐等級不低于C3級;對難以維護或危及人身安全的部位應加強防護,或采用自身具有耐腐蝕性的材料或外覆耐腐蝕材料;各構件的連接間隙應充分考慮防護層施工、檢修、維護的需求,避免出現難以涂漆、檢修、清理的空間,或易于積留濕氣、灰塵的死角或凹槽;對于閉口封閉型材,應沿縫隙或端口焊接封閉。

        
   2.1.6  滿足特殊要求結構的專門性能設計                                                  
      有特殊要求時,如場地受限必須采用大跨度設計,無樁基,載荷嚴重集中或不平衡等情況,必須對結構做專門設計和驗算,如圖5所示。

 

   2.2  工裝技術                               
      工裝已在現代制造業中廣泛使用,同時構件有時會出現異形等情況。鋼結構預制基礎采用某些非標工裝,能極大地提高生產效率和產品質量。為了滿足現場快捷組裝的要求,應對某些費時費力的環境預先設計工裝。如為栓接位置設計快速定位工裝,使梁等構件不必長時間舉升;為異形構件設計專用夾具,方便現場吊裝,增加安全性,如圖6所示。

 

    2.3  現場施工技術                                                                                                                                                               
        鋼結構預制基礎采用成熟的吊裝技術,如圖7所示,安全可靠,僅需較少時間就能完成整體吊裝就位及初連接。初連接完成后吊車即可離場,減少了高昂的租賃費用和大面積場地占用。后續施工基本為干法施工,無需供水、大規模搬運物料等施工過程,耗費人力少,且環保無污染,無需擔心工業垃圾的處理。

 

3  結語
       鋼結構預制基礎是一種響應國家綠色節能、可持續發展號召的嶄新應用,是在變電站預裝化后的又一創新,其對社會具有節能減排的意義;對行業有可推廣的價值,并能促進行業整體進步;對企業能縮短建設周期,提升企業競爭力;對用戶能降低負擔,且可持續發展。

[參考文獻]
[1] 運輸包裝件尺寸界限:GB/T 16471—1996[S].
[2] 建筑結構可靠度設計統一標準:GB 50068—2001[S].
[3] 工程結構可靠度設計統一標準:GB 50153—1992[S].
[4] 鋼結構設計規范:GB 50017—2003[S].
[5] 色漆和清漆——防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護 第5部分 防護涂料體系:ISO 12944-5:2018[S].
[6] 無錫固亞德電力設備有限公司.西門子南京SNC E-house項目[Z].

作者簡介
何顯江(1990—),男,四川南充人,結構設計工程師,研究方向:模塊化智能變電站預制艙。

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