特高壓換流站主要裝配式建構(gòu)筑物技術(shù)研究

陳 俊，李 志

(中南電力設(shè)計院有限公司,武漢 430071)

2016年9月27日，國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，對發(fā)展裝配式建筑的概念和必要性，以及主要任務(wù)與實施步驟，需要注意和研究解決的問題和相關(guān)政策進(jìn)行了解讀，旨在健全裝配式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，大力推廣裝配式建筑應(yīng)用技術(shù)。

在特高壓直流工程中，換流站是整個直流輸電系統(tǒng)的重中之重，特高壓換流站建設(shè)工期緊張，土建施工工期一般較為緊張，工程設(shè)計方案能否優(yōu)化將直接影響工期；換流站內(nèi)閥廳、控制樓、防火墻等主要建構(gòu)筑物，目前標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化程度較低，建設(shè)效率低；為降低現(xiàn)場作業(yè)強度、提高施工質(zhì)量，換流站內(nèi)主要建構(gòu)筑物的裝配式設(shè)計與建設(shè)是未來的發(fā)展趨勢。

1 裝配式結(jié)構(gòu)體系

目前換流站內(nèi)建構(gòu)筑物常見的裝配式體系有裝配式鋼結(jié)構(gòu)、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)和裝配式鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)[1]。不同結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)的受力性能、節(jié)能環(huán)保、預(yù)制構(gòu)件的加工安裝以及工程造價等方面各有優(yōu)劣，如表1所示，在建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)體系選型時需結(jié)合自身建筑的使用性能合理選擇。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常廣泛，整個結(jié)構(gòu)體系由鋼柱、鋼梁以及鋼樓面或鋼屋架組成，所有的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件均在加工廠預(yù)制，在現(xiàn)場拼裝，工業(yè)化程度極高。裝配式鋼結(jié)構(gòu)具有空間的靈活布置、截面小、輕質(zhì)高強、節(jié)能環(huán)保等特點。然而，鋼結(jié)構(gòu)在防火、建筑壽命與耐久性以及保溫、隔音、等方面都有著天然的缺陷[2]。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是一種將結(jié)構(gòu)梁柱和樓層板在加工廠生產(chǎn)完成，在現(xiàn)場通過濕法連接或干法連接方式拼裝的一種裝配式體系，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)保留了混凝土材料防火和耐久性方面的優(yōu)勢，同時省去了混凝土現(xiàn)場澆筑的步驟，彌補了混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工周期長的缺點[3]。

裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)主要是利用預(yù)制混凝土和鋼結(jié)構(gòu)自身的受力特點，在建筑物的不同部位采取不同結(jié)構(gòu)體系從而充分發(fā)揮預(yù)制混凝土和鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的一種混合結(jié)構(gòu)。

表1 不同裝配式結(jié)構(gòu)體系特點對比

2 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點

節(jié)點連接是整個裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點是否能夠滿足高強度、高延性、拼裝速度快等要求是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的主要研究內(nèi)容。根據(jù)現(xiàn)場節(jié)點拼裝的施工工藝，目前預(yù)制混凝土裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接方式主要有濕法連接和干法連接兩種類型[4-6]。

濕法連接指結(jié)構(gòu)梁、柱預(yù)制完成后，在現(xiàn)場通過后澆混凝土連接構(gòu)件的工藝，由于需要現(xiàn)場現(xiàn)澆混凝土，所以被稱之為濕法連接。濕法連接結(jié)構(gòu)性能與全現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相似，常用的濕法連接有核心區(qū)后澆連接、套筒灌漿連接和榫式連接等。

干法連接主要通過牛腿或者隱藏于梁柱內(nèi)的剪力件將梁柱連接為整體，連接件起到節(jié)點的受力功能，包括牛腿連接、干式剛性企口連接、焊接連接、螺栓連接等[7,8]。這種連接安裝方便、豎向承載力高、震后容易修復(fù)。

3 特高壓換流站主要建構(gòu)筑物裝配式選型

3.1 裝配式閥廳

閥廳是換流站內(nèi)重要建筑物之一，也是控制換流站建設(shè)工期的關(guān)鍵路徑。采用裝配式閥廳可以大幅減少現(xiàn)場混凝土的澆筑，從而縮短整個換流站的建設(shè)工期。

綜合閥廳空間跨度大且防火要求高的特點，根據(jù)第1節(jié)的不同體系對比結(jié)論可以得出，裝配式鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)是閥廳的首選結(jié)構(gòu)體系，如圖1所示。閥廳屋面和遠(yuǎn)離換流變側(cè)縱墻及兩端山墻均采用鋼屋架和鋼柱體系，這部分外墻的防火要求不高，因此可利用鋼結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)高強特點，構(gòu)件設(shè)計截面小，占用建筑面積少，現(xiàn)場拼裝速度快。閥廳靠近換流變側(cè)縱墻以及換流變間防火墻則需采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，既能滿足此部分因設(shè)置有換流變而所需的較高的防火性能，同時還可以避免部分設(shè)備防磁范圍內(nèi)導(dǎo)電金屬成環(huán)的問題。

閥廳混凝土柱約31 m高，整體安裝困難，需要分段運輸拼裝，柱-柱連接節(jié)點可采用濕法套筒灌漿連接，如圖2所示。預(yù)制上柱四角預(yù)埋角鋼，四角上預(yù)制上柱與下柱通過螺栓拼接，內(nèi)部預(yù)制上柱和下柱鋼筋通過套筒內(nèi)二次灌漿連接。套筒灌漿節(jié)點的特點在于現(xiàn)場操作簡單、施工方便、節(jié)點延性高，對閥廳這種荷載大且抗震性能高的結(jié)構(gòu)尤為適用。

閥廳靠近換流變側(cè)防火墻上部還設(shè)置有預(yù)制混凝土梁，用于支撐鋼屋架，預(yù)制梁-柱連接可采用干式明牛腿連接，閥廳為工業(yè)用房，因此明牛腿對建筑美觀性影響不大，且明牛腿安全可靠，現(xiàn)場拼裝方便。閥廳防火墻建議采用預(yù)制混凝土插入式墻板，預(yù)制混凝土上預(yù)留插槽，防火墻板通過插槽與柱連接，防火性能好，無需額外防火措施，同時插入式墻板還可以提高防火墻的整體受力性能。

3.2 裝配式主控樓

主控樓是換流站內(nèi)人員流動較大的建筑物之一，一般為3到4層，主要分為設(shè)備布置區(qū)域和人員辦公區(qū)域，對結(jié)構(gòu)的保溫隔音、美觀以及舒適度等要求較高。

主控樓可選用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系，由預(yù)制梁柱組成結(jié)構(gòu)的主要承重體系，構(gòu)件工廠預(yù)制，質(zhì)量高，符合“兩型一化”和“綠色施工”要求；梁柱節(jié)點可采用干式企口節(jié)點，如圖3所示，這種連接造型美觀，不易被人用肉眼所見，同時傳力明確、變形性能良好；樓板可采用預(yù)制空心混凝土樓板，預(yù)制空心帶肋樓板擱置于預(yù)制鋼筋混凝土框架梁上，預(yù)制框架梁頂端預(yù)留樓板固定鋼筋，樓板安裝完成后，在預(yù)制樓板上現(xiàn)澆一層混凝土面層，如圖4所示；外墻板可以采用外掛式的蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板，保證結(jié)構(gòu)的保溫隔熱隔音性能[9,10]。

3.3 裝配式備品庫和GIS室

換流站內(nèi)備品庫和GIS室與閥廳結(jié)構(gòu)較為類似，均為大跨度結(jié)構(gòu)，但建筑高度要低于閥廳，因此可以同樣選用鋼-現(xiàn)澆鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)。主體框架可采用預(yù)制混凝土梁柱，備品庫高度一般為15 m左右，預(yù)制混凝土柱能夠滿足結(jié)構(gòu)承載力而不占用太多建筑空間；梁柱連接可采用明牛腿；屋面可采用鋼梁外加壓型鋼板組合屋面，屋面恒載小；外墻板也可以采用外掛式的壓型鋼板組合墻板，與屋面保持一致，滿足結(jié)構(gòu)的建筑功能需求，但不參與結(jié)構(gòu)主體的整體計算。

3.4 裝配式圍墻和電纜溝

裝配式圍墻主要采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，立柱和墻板均由工廠預(yù)制，現(xiàn)場裝配，墻板和立柱采用插槽連接。裝配式圍墻的特點顯著，構(gòu)件在工廠預(yù)制成型后統(tǒng)一養(yǎng)護(hù)，表面顏色一致，無需二次裝飾；由于墻板和立柱間設(shè)有插槽，無需單獨設(shè)伸縮縫；裝配式圍墻拆除費用低，部分墻板可以重復(fù)利用。

換流站電纜溝常規(guī)采用鋼筋混凝土或砌體結(jié)構(gòu)，施工受氣候條件的影響大，工程質(zhì)量難以保證，工期長。裝配式電纜溝可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖5所示。工廠化統(tǒng)一生產(chǎn)，統(tǒng)一養(yǎng)護(hù)，溫度、濕度比較恒定，質(zhì)量穩(wěn)定。現(xiàn)場組裝安裝方便快捷，可減少施工人工費和縮短電纜溝施工工期。

4 結(jié) 語

鑒于目前國內(nèi)特高壓換流站工程日益緊張的建設(shè)周期，站內(nèi)裝配式建構(gòu)筑物是未來的發(fā)展趨勢。針對特高壓換流站工程，分析了目前常用的幾種裝配式結(jié)構(gòu)體系，總結(jié)了不同體系各自的優(yōu)缺點及其適用范圍；著重強調(diào)了裝配式構(gòu)件現(xiàn)場連接節(jié)點的關(guān)鍵技術(shù)，對比濕法連接節(jié)點和干法接節(jié)點的現(xiàn)場適用條件；詳述了插入式墻板和外掛式墻板的受力特點，從而提出了適用于特高壓直流換流站閥廳、主控樓、備品庫、GIS室、圍墻和電纜溝等主要建構(gòu)筑物的裝配式選型，為裝配式建筑在實際工程中的應(yīng)用奠定了良好的理論基礎(chǔ)。