Techno-economic Analysis of Plate Foundation with Rigid Steps
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摘要:
为了提高板式基础全过程机械化施工水平,进一步降低工程造价,文章首次尝试了带单层刚性台阶的单板式基础设计,充分利用了刚性台阶不需配筋的特性,工期可缩短0.5天,带单层刚性台阶的单板式基础较常规板式基础节省1.52%~3.3%;与常规板式基础相比,当基础上拔力在304~756 kN区间且底板厚200 mm时,基础费用降低0.77%~6.32%;以上研究成果已应用于某220 kV变电站110 kV配出工程,至今运行良好。
Abstract:In order to improve the level of mechanized construction throughout the entire process of slab foundation and further reduce engineering costs, this article attempts for the first time to design a single slab foundation with a single layer of rigid steps, fully utilizing the characteristic of rigid steps that do not require reinforcement. The construction period can be shortened by 0.5 days, and the single slab foundation with a single layer of rigid steps saves 1.52% to 3.3% compared to conventional slab foundations. Compared to conventional slab foundations, when the pulling force on the foundation ranges from 304 kN to 756 kN and the bottom plate thickness is 200 mm, the foundation cost is reduced by 0.77% to 6.32%. The above research results have been applied to the 110 kV outlet project of a certain 220 kV substation and have been running well so far.
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0. 引言
近年来,国家电网公司提出了全过程机械化施工的设计理念,要求改变以人工为主的传统施工方式,形成满足机械化施工的标准化设计[1-11];尽管主管单位大力提倡原状土基础,但板式基础目前仍然是主流,因为国家住建部2022年11月颁发限制类施工工艺13项,其中包括了基桩人工挖孔工艺;对于丘陵地区,因受到地形地貌限制,大型钻机往往无法到达塔位,仍需挖掘机上山大开挖;另外,考虑到胶东丘陵地区的土质、岩层的不均匀性(同一塔位可能出现不同地质的基坑或岩层中夹杂土层),机械旋挖原状土基础的地勘报告应如同岩层扩底锚杆基础,需要逐腿勘探(将超项目概算批复的塔位中心的单孔勘探费用)或机械掏挖后将实际的土层、岩层地质情况及时反馈给设计人员,修正钻孔深度,出具设计变更,一旦出现这种情况,是要被考核的;因此,进一步优化板式基础的设计模型,是必要的。根据文献[9],当基础上拔力不大时,选择台阶基础比较经济;当基础上拔力较大时,选择板式基础比较经济;为了确保主柱主筋的锚固长度,板式基础一般设计为2层台阶,且2层台阶均考虑配筋,在施工过程中,人工绑扎3层钢筋网,工艺复杂,基础浇注比较困难;台阶基础不需配筋,机械化施工程度相对较高;因此,结合台阶基础、板式基础的特点,有必要设计一种既经济又提高机械化施工水平的新型板式基础。
1. 带刚性台阶的板式基础的数学模型和理论计算方法
为了充分利用刚性台阶不需配筋的特性,并确保板式基础主柱主筋的锚固长度,本文尝试板式基础的上层台阶设计为刚性台阶,高(h1)、宽(b1)比不小于1;下层台阶仍按底板伸出宽度(b2)与底板高度(h2)之比不大于2.5倍的规程要求进行构造配筋,见图1和图2。
根据文献[9],从2011年版国网通用设计直线塔塔型中选择了典型基础作用力的塔型,作为板式基础技术经济比较的模版,具体见表1;其中取消了文献[9]中基础作用力较小、仅适于台阶基础的1A3-ZM2-15 m、1A3-ZM3-24 m、1D3-SZ2-21 m和1D3-SZ3-24 m塔型。
表 1 典型通用设计塔型的基础作用力一览表铁塔
模块塔型呼
称高上拔
力/kN铁塔
模块塔型呼
称高上拔
力/kN1F3 SZ2-21 304 1H1 SSZ1-36 593 1F3 SZ3-18 357 1H2 SSZ1-21 647 1F3 SZ3-36 404 1H2 SSZ1-33 704 1F3 SZK-36 463 1H2 SSZ2-33 756 1F3 SZK-41 503 1H2 SSZ3-30 807 1F3 SZK-51 540 1H2 SSZ3-39 841 根据文献[12],板式基础的底板下层配筋是按下压地基反力产生的弯矩计算,底板上层配筋按上拔时地基反力产生的弯矩计算,与底板厚度和伸出宽度有关,一般按构造配筋;因此,底板配筋与上层台阶配筋与否无关,从而为刚性台阶在板式基础中不需配筋奠定理论基础。
2. 地质和基础原材料以及预算编制说明
为便于技术经济分析,水文、地质、基础原材料以及预算编制与文献[9]所列条件和规定相同。
3. 新型板式基础的外轮廓设计尺寸
为便于技术经济分析,新型板式基础分2种;第1种基础是,上层刚性台阶的高(h1)、宽(b1)相同,且满足底板伸出宽度(b2)与底板高度(h2)的比值不大于2.5倍,以此确定上层刚性台阶的宽度(b1),其他设计尺寸(比如基础主柱截面、坑深(H)和底板宽度(B)与文献[9]所列板式基础相同,简称Ⅰ型板式基础;第2种基础是,上层刚性台阶高(h1)、宽(b1)相同,且底板伸出宽度(b2)与文献[1]所列尺寸相同(确保底板配筋型号和重量不变),以此确定上层刚性台阶的宽度,其他设计尺寸(比如基础主柱截面、坑深(H)和底板宽度(B)与文献[9]所列板式基础相同,简称Ⅱ型板式基础。
4. 计算结果和造价分析
根据有关基础计算软件,对每种基础按经济最优设计,经过分别对12种新型板式基础的施工图设计,基础坑深(H)、基础底板宽度(B)、基础体积(V1/V2/V3)和基础钢材(G1/G2/G3)汇总表3;表3中的板式基础体积未含垫层体积(预算已考虑),基础钢材包括地脚螺栓重量。
表 3 3种板式基础单位造价及经济比较编号 模块、塔型 文献[9]板式基础费用/元 Ⅰ型基础费用/元 Ⅱ型基础费用/元 Ⅰ型较文献[9]板式费用低/% Ⅱ型较文献[9]板式费用低/% 1 1F3-SZ2-21 27176 26254 26682 3.39 -1.63 2 1F3-SZ3-18 36375 35296 35634 2.97 2.50 3 1F3-SZ3-36 37513 36652 37091 2.30 1.40 4 1F3-SZK-33 42152 41095 41542 2.51 1.80 5 1F3-SZK-42 45721 44607 45092 2.44 1.70 6 1F3-SZK-51 47421 46335 47536 2.29 -0.50 7 1H1-SSZ1-36 50868 49618 50783 2.46 0.10 8 1H2-SSZ1-21 53908 52631 53585 2.37 0.70 9 1H2-SSZ1-33 56441 55139 56226 2.31 0.40 10 1H2-SSZ2-33 60018 59128 59605 1.48 0.80 11 1H2-SSZ3-30 64915 63964 64925 1.46 -0.20 12 1H2-SSZ3-39 66424 65433 66456 1.49 -0.20 对比表2中的基础体积和基础钢筋,明显,Ⅰ型板式基础最经济;比较Ⅰ型板式基础和Ⅱ型板式基础,底板伸出宽度的增加对底板钢筋的重量影响很小,说明底板是按构造配筋的。
表 2 3种板式基础设计结果编号 模块、塔型 文献[9]所列(V1、G1)/Ⅰ型基础(V2、G2)/Ⅱ型基础(V3、G3) Ⅰ型(b1 = h1)/m Ⅱ型(b2 = h2)/m (V1、V2、V3)/m3 (G1、G2、G3)/t 1 1F3-SZ2-21 0.3 0.4 11.32/10.72/11.97 1.23/1.03/1.02 2 1F3-SZ3-18 0.3 0.4 15.90/15.16/16.64 1.66/1.43/1.37 3 1F3-SZ3-36 0.3 0.4 16.40/15.68/17.15 1.63/1.46/1.43 4 1F3-SZK-33 0.3 0.4 17.80/17.12/18.61 1.70/1.47/1.44 5 1F3-SZK-42 0.3 0.4 18.10/17.36/18.86 1.81/1.57/1.55 6 1F3-SZK-51 0.3 0.4 18.40/17.64/21.17 1.96/1.73/1.70 7 1H1-SSZ1-36 0.3 0.5 20.50/18.92/22.54 2.17/1.98/1.93 8 1H2-SSZ1-21 0.3 0.5 21.00/19.44/23.06 2.41/2.21/2.10 9 1H2-SSZ1-33 0.4 0.5 22.10/22.08/24.45 2.51/2.14/2.20 10 1H2-SSZ2-33 0.4 0.5 22.60/22.56/24.70 2.76/2.51/2.42 11 1H2-SSZ3-30 0.5 0.6 24.80/25.92/28.8 3.11/2.72/2.69 12 1H2-SSZ3-39 0.5 0.6 25.00/26.2/29.06 3.19/2.78/2.77 为了经济对比,商品混凝土和钢筋的市场单价以文献[9]为基础,开展3种板式基础单位造价及经济比较;Ⅰ型基础费用计算公式为:文献[9]板式基础费用+(V2−V1)×370元/m3+(G2−G1)×
3500 元/t;Ⅱ型基础费用计算公式为:文献[9]板式基础费用+(V3−V1)×370元/m3+(G3−G1)×3500 元/t;其中,商品混凝土和钢筋的市场单价分别为370元/m3和3500 元/t,见表3。由表3可知,当基础上拔力在304~841 kN区间内,Ⅰ型板式基础最经济,较文献[9]所列板式基础节省1.46%~3.39%,且节省的费用随着基础上拔力的增加而逐渐减少,可作为优选方案;Ⅱ型板式基础的费用比文献[9]所列板式基础的费用略少甚至增加,说明尽管底板的工程量未变,取消了上层台阶的配筋,但上层台阶的体积增加了,因此,不作为优选方案。
5. Ⅰ型板式基础的底板厚300 mm和200 mm的基础费用比较
文献[12]规定,现浇基础的底板厚度不小于200 mm;根据以往设计经验,板式基础的底板厚度(h2)一般取300 mm时,底板按构造配筋;因此,有必要以表1~表3中所列数据进一步对底板厚(h2)为300 mm的Ⅰ型板式基础(V2、G2)和200 mm的Ⅰ型板式基础(V4、G4)作费用对比,其中基础主柱高度和底板宽度(B)不变。
由表4可知,基础底板厚300 mm改为200 mm后,随着基础上拔力的增加,基础体积减少,当基础上拔力达到540~593 kN之间某一数值,基础体积出现临界点,然后基础体积随着基础上拔力的增加而增加;随着底板变薄和基础上拔力的增加,基础钢材重量基本不变。
表 4 Ⅰ型基础底板厚300 mm和200 mm时板式基础设计结果编号 模块、塔型 文献[9]所列(V1、G1)/h2 = 300 mm(V2、G2)/h2 = 200 mm(V4、G4) 台阶高(h1)/m 基础坑深(H)/m (V1、V2、V4)/m3 (G1、G2、G4)/t 1 1F3-SZ2-21m 0.3/0.3/0.3 2.6/2.6/2.5 11.32/10.72/8.76 1.23/1.03/1.01 2 1F3-SZ3-18m 0.3/0.3/0.3 2.7/2.7/2.6 15.90/15.16/12.84 1.66/1.43/1.40 3 1F3-SZ3-36m 0.3/0.3/0.3 2.8/2.8/2.7 16.40/15.68/13.36 1.63/1.46/1.39 4 1F3-SZK-33m 0.3/0.3/0.4 3.0/3.0/3.0 17.80/17.12/16.16 1.70/1.47/1.42 5 1F3-SZK-42m 0.3/0.3/0.4 3.1/3.1/3.1 18.10/17.36/16.4 1.81/1.57/1.57 6 1F3-SZK-51m 0.3/0.3/0.4 3.2/3.2/3.2 18.40/17.64/16.88 1.96/1.73/1.75 7 1H1-SSZ1-36m 0.3/0.3/0.4 3.2/3.2/3.3 20.50/18.92/19.92 2.17/1.98/1.86 8 1H2-SSZ1-21m 0.3/0.3/0.5 3.4/3.4/3.5 21.00/19.44/20.44 2.41/2.21/2.14 9 1H2-SSZ1-33m 0.4/0.4/0.6 3.3/3.3/3.4 22.10/22.08/23.96 2.51/2.14/2.14 10 1H2-SSZ2-33m 0.4/0.4/0.6 3.5/3.5/3.6 22.60/22.56/24.48 2.76/2.51/2.43 11 1H2-SSZ3-30m 0.5/0.5/0.7 3.4/3.4/3.5 24.80/25.92/28.92 3.11/2.72/2.69 12 1H2-SSZ3-39m 0.5/0.5/0.7 3.5/3.5/3.6 25.00/26.2/29.16 3.19/2.78/2.78 根据表4所列数据,计算出Ⅰ型板式基础在基础底板厚200 mm情况下的基础费用,然后分别与基础底板厚300 mm的基础费用、文献[9]所列板式基础预算费用作比较,汇总表5;预算费用比较的计算公式如下:h2 = 300 mm,减少费用=[(V4−V2)×370元/m3+(G4−G2)×3500元/t],h2=200 mm,减少费用=[(V4−V1)×370元/m3+(G4−G1)×3500元/t]。
表 5 Ⅰ型基础底板厚300 mm和200 mm时板式基础费用比较编号 模块、塔型 文献[9]板式基础费用/元 底板厚300 mm减少费用/元 底板厚200 mm减少费用/元 底板厚200 mm比底板厚300 mm的费用低/% 底板厚200 mm比文
献[9]板式基础低/%1 1F3-SZ2-21m 27176 795 1717 3.30 6.32 2 1F3-SZ3-18m 36375 963 2042 2.89 5.61 3 1F3-SZ3-36m 37513 1103 1965 2.23 5.24 4 1F3-SZK-33m 42152 530 1587 2.48 3.76 5 1F3-SZK-42m 45721 355 1469 2.42 3.21 6 1F3-SZK-51m 47421 211 1297 2.28 2.74 7 1H1-SSZ1-36m 50868 50 1300 2.45 2.55 8 1H2-SSZ1-21m 53908 -125 1152 2.37 2.14 9 1H2-SSZ1-33m 56441 -696 607 2.34 1.08 10 1H2-SSZ2-33m 60018 -430 459 1.49 0.77 11 1H2-SSZ3-30m 64915 - 1005 -54 1.49 -0.08 12 1H2-SSZ3-39m 66424 - 1095 -104 1.52 -0.16 由表5可知,无论基础作用力大小,底板厚200 mm总比底板厚300 mm的基础节省1.52%~3.30%,工程设计中,板式基础的底板厚应选200 mm;当底板厚300 mm且基础上拔力在304~593 kN区间或当底板厚200 mm且基础上拔力在304~593 kN区间时,与文献[9]板式基础相比,带单层刚性台阶的板式基础费用是节省的;当底板厚300 mm且基础上拔力在593 kN以上或当底板厚200 mm且基础上拔力在807 kN以上时,与文献[9]板式基础相比,带单层刚性台阶的板式基础费用并不节省。
6. 结束语
带刚性台阶的板式基础的底板配筋与上层台阶配筋与否无关;经技术经济比较,带刚性台阶的板式基础较常规板式基础节省1.52%~3.3%;且无论基础作用力大小,底板厚200 mm的板式基础总比常规设计底板厚300 mm的板式基础节省。
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表 1 典型通用设计塔型的基础作用力一览表
铁塔
模块塔型呼
称高上拔
力/kN铁塔
模块塔型呼
称高上拔
力/kN1F3 SZ2-21 304 1H1 SSZ1-36 593 1F3 SZ3-18 357 1H2 SSZ1-21 647 1F3 SZ3-36 404 1H2 SSZ1-33 704 1F3 SZK-36 463 1H2 SSZ2-33 756 1F3 SZK-41 503 1H2 SSZ3-30 807 1F3 SZK-51 540 1H2 SSZ3-39 841 表 3 3种板式基础单位造价及经济比较
编号 模块、塔型 文献[9]板式基础费用/元 Ⅰ型基础费用/元 Ⅱ型基础费用/元 Ⅰ型较文献[9]板式费用低/% Ⅱ型较文献[9]板式费用低/% 1 1F3-SZ2-21 27176 26254 26682 3.39 -1.63 2 1F3-SZ3-18 36375 35296 35634 2.97 2.50 3 1F3-SZ3-36 37513 36652 37091 2.30 1.40 4 1F3-SZK-33 42152 41095 41542 2.51 1.80 5 1F3-SZK-42 45721 44607 45092 2.44 1.70 6 1F3-SZK-51 47421 46335 47536 2.29 -0.50 7 1H1-SSZ1-36 50868 49618 50783 2.46 0.10 8 1H2-SSZ1-21 53908 52631 53585 2.37 0.70 9 1H2-SSZ1-33 56441 55139 56226 2.31 0.40 10 1H2-SSZ2-33 60018 59128 59605 1.48 0.80 11 1H2-SSZ3-30 64915 63964 64925 1.46 -0.20 12 1H2-SSZ3-39 66424 65433 66456 1.49 -0.20 表 2 3种板式基础设计结果
编号 模块、塔型 文献[9]所列(V1、G1)/Ⅰ型基础(V2、G2)/Ⅱ型基础(V3、G3) Ⅰ型(b1 = h1)/m Ⅱ型(b2 = h2)/m (V1、V2、V3)/m3 (G1、G2、G3)/t 1 1F3-SZ2-21 0.3 0.4 11.32/10.72/11.97 1.23/1.03/1.02 2 1F3-SZ3-18 0.3 0.4 15.90/15.16/16.64 1.66/1.43/1.37 3 1F3-SZ3-36 0.3 0.4 16.40/15.68/17.15 1.63/1.46/1.43 4 1F3-SZK-33 0.3 0.4 17.80/17.12/18.61 1.70/1.47/1.44 5 1F3-SZK-42 0.3 0.4 18.10/17.36/18.86 1.81/1.57/1.55 6 1F3-SZK-51 0.3 0.4 18.40/17.64/21.17 1.96/1.73/1.70 7 1H1-SSZ1-36 0.3 0.5 20.50/18.92/22.54 2.17/1.98/1.93 8 1H2-SSZ1-21 0.3 0.5 21.00/19.44/23.06 2.41/2.21/2.10 9 1H2-SSZ1-33 0.4 0.5 22.10/22.08/24.45 2.51/2.14/2.20 10 1H2-SSZ2-33 0.4 0.5 22.60/22.56/24.70 2.76/2.51/2.42 11 1H2-SSZ3-30 0.5 0.6 24.80/25.92/28.8 3.11/2.72/2.69 12 1H2-SSZ3-39 0.5 0.6 25.00/26.2/29.06 3.19/2.78/2.77 表 4 Ⅰ型基础底板厚300 mm和200 mm时板式基础设计结果
编号 模块、塔型 文献[9]所列(V1、G1)/h2 = 300 mm(V2、G2)/h2 = 200 mm(V4、G4) 台阶高(h1)/m 基础坑深(H)/m (V1、V2、V4)/m3 (G1、G2、G4)/t 1 1F3-SZ2-21m 0.3/0.3/0.3 2.6/2.6/2.5 11.32/10.72/8.76 1.23/1.03/1.01 2 1F3-SZ3-18m 0.3/0.3/0.3 2.7/2.7/2.6 15.90/15.16/12.84 1.66/1.43/1.40 3 1F3-SZ3-36m 0.3/0.3/0.3 2.8/2.8/2.7 16.40/15.68/13.36 1.63/1.46/1.39 4 1F3-SZK-33m 0.3/0.3/0.4 3.0/3.0/3.0 17.80/17.12/16.16 1.70/1.47/1.42 5 1F3-SZK-42m 0.3/0.3/0.4 3.1/3.1/3.1 18.10/17.36/16.4 1.81/1.57/1.57 6 1F3-SZK-51m 0.3/0.3/0.4 3.2/3.2/3.2 18.40/17.64/16.88 1.96/1.73/1.75 7 1H1-SSZ1-36m 0.3/0.3/0.4 3.2/3.2/3.3 20.50/18.92/19.92 2.17/1.98/1.86 8 1H2-SSZ1-21m 0.3/0.3/0.5 3.4/3.4/3.5 21.00/19.44/20.44 2.41/2.21/2.14 9 1H2-SSZ1-33m 0.4/0.4/0.6 3.3/3.3/3.4 22.10/22.08/23.96 2.51/2.14/2.14 10 1H2-SSZ2-33m 0.4/0.4/0.6 3.5/3.5/3.6 22.60/22.56/24.48 2.76/2.51/2.43 11 1H2-SSZ3-30m 0.5/0.5/0.7 3.4/3.4/3.5 24.80/25.92/28.92 3.11/2.72/2.69 12 1H2-SSZ3-39m 0.5/0.5/0.7 3.5/3.5/3.6 25.00/26.2/29.16 3.19/2.78/2.78 表 5 Ⅰ型基础底板厚300 mm和200 mm时板式基础费用比较
编号 模块、塔型 文献[9]板式基础费用/元 底板厚300 mm减少费用/元 底板厚200 mm减少费用/元 底板厚200 mm比底板厚300 mm的费用低/% 底板厚200 mm比文
献[9]板式基础低/%1 1F3-SZ2-21m 27176 795 1717 3.30 6.32 2 1F3-SZ3-18m 36375 963 2042 2.89 5.61 3 1F3-SZ3-36m 37513 1103 1965 2.23 5.24 4 1F3-SZK-33m 42152 530 1587 2.48 3.76 5 1F3-SZK-42m 45721 355 1469 2.42 3.21 6 1F3-SZK-51m 47421 211 1297 2.28 2.74 7 1H1-SSZ1-36m 50868 50 1300 2.45 2.55 8 1H2-SSZ1-21m 53908 -125 1152 2.37 2.14 9 1H2-SSZ1-33m 56441 -696 607 2.34 1.08 10 1H2-SSZ2-33m 60018 -430 459 1.49 0.77 11 1H2-SSZ3-30m 64915 - 1005 -54 1.49 -0.08 12 1H2-SSZ3-39m 66424 - 1095 -104 1.52 -0.16 -
[1] 国网基建部.国网基建部关于印发2016年推进输电线路机械化施工工作要点的通知(国家电网公司部门文件基建技术〔2016〕24号文)[S].2016.3.4. [2] 鲁先龙,程永锋.我国输电线路基础工程现状与展望[J].电力建设,2005,26(11):25-27,34. [3] 牛建荣.简述铁塔基础形式的选择[J].山西建筑,2009,35(29):108-109. [4] 姜清华.黄冈电网输电线路基础设计选型分析[J].湖北电力,2010,34(S1):121-122. [5] 钟维军,庞红旗.山地输电铁塔掏挖式、岩石嵌固式与板式基础的比较分析[J].浙江电力,2013,32(7):15-17. [6] 王旭江.220 kV输电线路基础选型及直柱全掏挖基础优化[J].山西建筑,2013,39(11):65-67. doi: 10.3969/j.issn.1009-6825.2013.11.035 [7] 肖宇,杨磊.山区输电线路常规基础造价对比分析[J].电力勘测设计,2015(3):74-80. doi: 10.3969/j.issn.1671-9913.2015.03.021 [8] 张庆, 王四秀.输电线路基础选型及技术经济比较分析[J].中国科技投资,2013(26):84. [9] 王茂成,赵永春,刘树华,等.粘土层铁塔基础技术经济分析[J].山东电力技术,2017,44(10):40-44. doi: 10.3969/j.issn.1007-9904.2017.10.010 [10] 刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计-110(66) kV输电线路分册[M].2011. [11] 刘振亚.国家电网公司输变电工程通用设计-220 kV输电线路分册[M].2011. [12] 电力规划设计总院.架空输电线路基础设计技术规程:DL/T 5219—2014[S].中国计划出版社,2015(3):50-57.