特高壓直流換流站調相機廠房裝配式技術研究

王 進

(中南電力設計院有限公司，武漢 430071)

裝配式混凝土結構是指以工廠化生產的鋼筋混凝土預制構件為主，通過現場裝配的方式設計、建造，具有施工速度快，利于冬期施工，生產效率高，產品質量好，減少了物料損耗等特點。我國預制混凝土結構的工程應用始于二十世紀五十年代，一方面由于當時技術水平限制，預制混凝土構件存在著跨度小、承載力低、延性差、品種單一等諸多問題；另一方面由于唐山地震中大量預制混凝土結構遭到破壞使人們對預制結構的應用更加保守，預制混凝土結構的發展受到了阻礙[1]，逐步被現澆混凝土結構所取代。

近些年，隨著我國建筑行業產業化的發展，建筑的工業化改革勢在必行。住宅建筑工業化首先要提高工業化的生產和施工技術，從而提高勞動生產率、降低成本、保證工程質量。2016年9月27日，國務院印發了《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》(國辦發〔2016〕71號)，對發展裝配式建筑的概念、必要性、優越性、主要任務、實施步驟、需要注意和研究解決的問題等相關政策進行了解讀。

在特高壓直流工程中，換流站是整個直流輸電系統的重中之重。在特高壓直流換流站建設工期日益緊張的現狀下，土建施工的工期一再壓縮，采用常規的設計方案難以滿足工期要求，且施工質量難以保證；作為換流站重要組成部分的調相機工程，主要建筑物的標準化、工廠化程度較低，建設效率低；為降低現場作業強度、提高施工質量，與換流站內的裝配式建構筑物協調、統一，調相機區域主要建筑物的裝配式設計與建設是必然的選擇。

1 國內在建的調相機廠房結構體系

特高壓直流換流站調相機區域的建構筑物主要包括調相機廠房、除鹽水處理車間、機械通風冷卻塔、循環水泵房、變壓器基礎、避雷線塔、500 kV GIS設備基礎等。調相機廠房體量大，主要用于布置調相機及附屬設備，是調相機區域最重要的建筑物。

目前，國內已建成的調相機廠房均采用鋼筋混凝土框排架結構體系，運轉層平臺采用鋼筋混凝土梁-板結構，調相機房屋面采用實腹鋼梁、壓型鋼板為底模的鋼梁-混凝土組合屋面板，見圖1。

2 調相機廠房的裝配式方案

調相機廠房的框架柱、框架梁均采用裝配式構件，考慮裝配式構件預制、運輸、安裝的便利，調相機廠房混凝土柱的預制長度不宜大于12 m。其中，框架柱在標高+1.000 m、+13.000 m處設置柱-柱連接節點。框架梁兩端根據實際情況選用裝配式梁柱節點，其中梁側無樓板的框架梁可選用端干式企口梁柱節點，梁側有樓板的框架梁可選用直螺紋套筒及鋼板連接的梁柱節點。圖2為裝配式調相機廠房的橫向框架布置圖。

調相機的樓層結構采用疊合樓板，預制板選用預應力預制空心板或預應力槽形板。預制板的兩端先擱置在框架梁兩側的安裝牛腿上，然后澆筑疊合層，保證樓層結構的整體性。調相機廠房的圍護結構采用外掛混凝土預制墻板，安裝方便、施工快速。墻板可以選用輕質的多氣孔混凝土成型板材，滿足圍護結構對保溫隔熱性、耐火性的要求[2]。外掛單層壓型鋼板，保證外立面效果與特高壓直流換流站的整體要求保持一致。樓梯選用預制樓梯。

3 連接節點試驗及有限元分析

我國是多地震國家，連接節點的抗震性能是裝配式結構研究的重點[3-5]。裝配式調相機廠房選取柱-柱連接節點和梁柱連接節點，分別進行了有限元分析和節點試驗，對節點的抗震性能進行研究。

3.1 柱-柱連接節點

以某鋼筋混凝土裝配式調相機廠房為工程背景，選取框架柱的單榫柱-柱節點為研究對象，見圖3裝配式單榫柱-柱節點的簡圖：上柱底部中央設置榫頭，下柱頂部中央設置凹槽。安裝時，上柱下柱通過榫卯結構固定，焊接預埋鋼板完成節點安裝。

從圖4可以得出：在加載初期，滯回曲線較為尖銳，表明節點處于彈性階段；隨著荷載逐級增加，滯回曲線接近梭形，表明節點已進入塑性變形階段；當節點進入破壞階段時，滯回曲線變為Z形，表明節點剛度退化，耗能能力大幅降低。總體而言，節點滯回曲線較為豐滿,各個滯回環等效粘滯系數隨著荷載步逐漸增大，表明試件抗震耗能能力較好。

3.2 梁-柱連接節點

以某鋼筋混凝土裝配式調相機廠房為工程背景，設計的直螺紋套筒梁柱節點，如圖5所示。梁頂部縱向受力鋼筋通過直螺紋套筒與柱連接，梁底通過牛腿及梁底的預埋鋼板焊接，二次澆注疊合層后，梁柱形成整體結構。此節點預制梁的疊合層可與樓板一同澆注，施工方便；由于有疊合層，節點整體性能較好。基于此節點建立有限元模型，如圖6所示，對螺紋套筒采用了薄殼單元模擬。

從圖7可以看出：在周期反復荷載作用下，滯回曲線類似于梭形，節點處于彈性階段；隨著荷載逐級增加，滯回環產生“捏縮”，節點的強度和剛度均退化；當節點進入破壞階段時，荷載位移曲線的斜率急劇下降，構件耗能能力逐漸喪失至最終破壞。總體而言，試件滯回環形狀較為飽滿，表明其耗能性能較好，各個滯回環等效粘滯系數隨著荷載步逐漸增大，說明試件抗震耗能能力較好。節點的延性系數與普通現澆混凝土結構相當。

從圖8可以發現，節點試驗與有限元模擬的位移-荷載曲線，兩者在試件屈服前的曲線基本吻合；隨著荷載增加，試件混凝土開裂、鋼筋與混凝土相對滑移等因素導致兩者偏差越來越大。因為牛腿的存在，位移-荷載曲線不對稱，即正向與反向承載力不相等。

4 結 論

裝配式混凝土結構是未來建筑工業化發展的趨勢，特高壓直流換流站調相機區域主要建筑物的裝配式設計研究順應了這一趨勢，發揮裝配式結構生產、施工效率高，減少環境污染，降低工人勞動強度等優點。同時，也對火力發電廠建構筑物的裝配式研究提供參考。