湖南地區變電站裝配式防火墻試點應用研究

文飛，周贊，柳燦

(1. 國網湖南省電力有限公司經濟技術研究院，湖南長沙410004；2. 中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南長沙410007)

0 引言

當前我國裝配式變電站建設進入快速發展階段。裝配式防火墻作為裝配式變電站的重要構成部分, 目前在江蘇、浙江、廣東等沿海發達省份進行了部分試點, 并且已經應用在電壓等級 110 ～500 kV的變電站工程中。

裝配式防火墻技術, 符合國家電網有限公司要求變電站在通用設計基礎上全面推行 “資源節約型, 環境友好型和工業化” 建設要求, 具有標準化設計、模塊化組合、工業化生產、集約化施工等一系列優點, 能大大加快變電站的建設進程, 具有較好的經濟效益和較強的推廣應用前景[1-5]。

湖南地處中部內陸地區, 目前尚無變電站裝配式防火墻的應用研究及工程實例。本文依托湖南某220 kV 變電站試點工程, 開展湖南地區變電站裝配式防火墻的研究應用, 對今后湖南地區變電站裝配式防火墻的建設提供參考。

1 常規防火墻與裝配式防火墻的對比分析

1.1 常規防火墻與裝配式防火墻種類及做法簡介

變電站防火墻的常規結構型式主要為現澆鋼筋混凝土實體墻和現澆鋼筋混凝土框架+砌體填充墻兩種結構型式。現澆鋼筋混凝土實體墻的墻身和基礎部分都是由鋼筋混凝土材料構成, 與剪力墻結構有一定相似之處, 具有較為突出的防火性能, 采用一次性整體澆筑成型。現澆鋼筋混凝土框架+砌體填充墻型式的框架采用清水混凝土施工工藝一次澆筑成型, 防火墻填充墻采用蒸壓灰砂磚或粉煤灰磚等節能環保磚, 用混合砂漿砌筑[2-5]。

變電站裝配式防火墻主要由基礎、預制混凝土柱、預制墻板和封口梁組成。其中防火墻的立柱基礎采用現澆杯形基礎, 立柱插入后采用細石混凝土二次灌漿填實。防火墻的主要受力構件為預制鋼筋混凝土柱, 柱設有特殊凹槽, 安裝完成后卡入預制墻板, 防火墻上部再采用預制鋼筋混凝土梁進行封口。預制墻板主要有預制實心混凝土板、FC 板、ALC 板和水泥基墻板等類型[2-5]。

1.2 常規防火墻與裝配式防火墻的對比分析

常規的傳統現澆防火墻與裝配式防火墻均具有較好的耐久性和防火性能, 使用年限和耐火極限均能滿足變電站的使用要求。從外觀上看, 現澆防火墻受環境影響較大, 成品容易出現變色、返堿、開裂等質量通病, 耐久性差, 而裝配式防火墻外形美觀、顏色均勻、不吸水, 頂梁滴水線等細部工藝在工廠成型, 外觀簡單、工藝精良。從施工工藝上看, 現澆防火墻施工工藝要求極高, 有較高的返工率, 且施工周期長, 出現裂縫時維修困難, 而裝配式防火墻立柱、墻板、頂梁全部采用專用設備一次性成型, 組件簡單, 施工方便。裝配式防火墻由于采用工廠化生產, 質量穩定, 大幅縮短施工周期,較現澆防火墻可節約2/3 的工期, 降低施工能耗約20%。但從施工成本上比較, 現澆防火墻施工經驗成熟, 工程前期一次投入成本較低, 而裝配式防火墻由于工廠化、規模化制作, 前期投入模具及設備成本較高, 單體造價要高于現澆防火墻, 前期一次投入成本較現澆防火墻增加約50%[6-8]。

2 裝配式防火墻典型設計方案

2.1 裝配式防火墻結構設計難點分析及解決方案

裝配式結構是一種處于研究及試驗階段的新技術。變電站采用裝配式防火墻需重點解決的難題:

1) 保障預制構件之間連接的性能和結構整體的性能。

2) 當防火墻頂部構架有導線水平拉力時, 防火墻應滿足安全性、可靠性等要求。

3) 主變壓器防火墻必須滿足3 h 的防火性能。

4) 保證裝配式結構施工安裝方便。

為了解決問題, 在設計方案研究中借鑒建筑行業房屋裝配式疊合結構的理論, 采取干、濕連接技術, 在防火墻頂梁、柱節點處采用現澆混凝土, 形成梁、柱的剛性整體結構, 柱與杯口基礎、柱與板之間采用承插方式連接。該方案既確保防火墻整體性能安全可靠, 使防火墻頂部構架與防火墻框架及基礎形成一個受力整體, 能有效抵抗構架導線水平拉力, 又方便施工安裝。同時防火墻預制墻板采用厚度150 mm 的鋼筋混凝土板, 能滿足防火墻3 h的耐火極限要求。

2.2 裝配式防火墻結構設計方案

經過前期大量的調研收資及計算分析, 結合工程造價及工程可實施性等多方面因素, 確定最終的裝配式防火墻采用基礎和梁柱節點現澆、整體預制抗風柱、分段預制基礎梁及疊合頂梁、分段預制混凝土實心墻板的組合方案。

抗風柱采用基底―墻頂全段整體預制方式。圖1 給出了抗風柱斷面結構型式, 中間柱采用工字型截面, 邊柱采用槽型截面, 中間柱柱頭截面放大與構架柱腳法蘭相協調。工字型及槽型柱凹槽用于安裝梁、墻板；柱頂預留頂梁高范圍用于節點現澆；柱頂縱向鋼筋按錨固要求預留錨固長度, 現澆節點時錨入梁內。基礎采用現澆杯口式基礎, 柱下端插入杯口后用細石混凝土澆灌。

防火墻在兩個標高處設置梁, 分別為基礎梁和墻頂梁。基礎梁采用預制鋼筋混凝土結構, 安裝于基礎杯口處。柱安裝就位、基礎回填后, 將預制基礎梁置于基礎杯口上。墻頂梁以柱為節點采用分段預制梁, 梁端每邊超出柱邊100 mm 的擱置長度,如圖2 所示。安裝時梁、柱鋼筋按抗震要求錨固至節點區, 柱頂預埋鐵須按要求進行預埋。梁、柱節點混凝土在以上工作完成后澆筑。

圖1 裝配式防火墻抗風柱斷面圖

圖2 裝配式防火墻頂梁斷面圖

該方案既確保防火墻整體性能安全可靠, 防火墻頂部構架與防火墻框架及基礎形成一個受力整體, 能有效抵抗構架導線水平拉力, 又對裝配式防火墻的主要組成構件進行了細部拆分, 保證了裝配式結構施工安裝方便。

墻板采用預制鋼筋混凝土墻板, 墻板厚度150 mm , 如圖3 所示, 滿足防火墻3 h 的耐火極限要求。墻板施工時吊裝至柱頂, 對準柱預留插槽裝入設計位置并調整豎直后填縫固定即可。墻板及頂梁的底部預留凹槽, 墻板的底部預留凸緣, 安裝時凸緣插入凹槽內, 并采用防火泥進行填充, 以保證墻和墻之間、墻和梁之間的密封性能。

圖3 裝配式防火墻墻板斷面圖

3 工程應用實例

以湖南地區某220 kV 變電站新建工程為例,規劃安裝3 臺180 MVA 有載調壓變壓器, 本期安裝1 臺180 MVA 有載調壓變壓器。主變電站構架采用1 組3 跨連梁門型構架, 除兩端采用A 型構架和帶端撐A 型構架外, 其余構架設置于防火墻上,每跨15 m, 構架高度14 m, 防火墻長 12 m, 高8 m。構架軸側圖如圖4 所示。

圖4 主變構架及防火墻軸側圖

主變防火墻基礎采用2.5 m×2.5 m 現澆混凝土杯口基礎。抗風柱采用預制鋼筋混凝土柱, 中柱采用700 mm×700 mm “工” 字型截面, 邊柱采用600 mm×500 mm “ [” 型截面, 抗風柱采用插入式, 通過二次灌漿與基礎形成一個整體。柱上留有的100 mm 槽口用于防火墻板的安裝。地梁采用250 mm×500 mm 預制矩形截面梁, 置于防火墻基礎頂面, 通過基礎頂預埋鐵件與梁底預埋鐵件焊接固定。防火墻板采用3 760 mm×2 470 mm×150 mm、1 960 mm×2 470 mm×150 mm 兩種規格的預制鋼筋混凝土實心板, 墻板之間通過預留企口咬合連接。頂梁采用半預制半現澆方式, 預制梁結合面設置不小于6 mm 粗糙度剪力鍵槽。頂梁上半部分及其兩端與柱頭節點連接采用整體現澆方式, 使梁柱頂部現場澆筑在一起, 便于防火墻各部分形成一個整體, 以保證框架的受力完整性及合理性。主變電站裝配式防火墻應用效果如圖5 所示。

圖5 裝配式防火墻組裝成品圖

從圖5 可以看出, 裝配式防火墻中的立柱和墻板均是工廠統一化生產, 混凝土料統一攪拌, 產品成型后統一養護, 溫度、濕度比較恒定, 表面顏色一致, 無需二次裝飾, 不但節省能源和財力, 而且質量波動小。而傳統的現澆防火墻, 由于勞動力技術方面的限制, 往往造成外觀問題, 需要二次修飾, 墻面采用混凝土砌塊的, 后期抹灰容易脫落和開裂。

以本工程一堵高8 m、寬12 m 的防火墻工程為例, 如果采用現澆方案, 經綁扎鋼筋、支模、澆筑、養護等多道工序, 在天氣條件合適的情況下需要約45 天方可完成防火墻施工。本工程采用裝配式防火墻方案, 六名普通建筑工人15 天左右即可裝配完成, 施工時間約為現澆防火墻方案的1/3。

本工程主變電站裝配式防火墻的造價約1 300 元/m2, 本期變電站共新建兩片防火墻, 總面積為200 m2, 裝配式防火墻總造價為26 萬元。傳統現澆混凝土框架+砌體填充墻的綜合單價約520 元/m2, 裝配式防火墻與之相比, 其造價提高約一倍。但從長遠運行維護來看, 裝配式防火墻在變電站設計使用年限之內無需更換和修繕, 后期維護成本很低。由于本工程單體工程量較小, 制作廠家需單獨進行模具設計及加工, 導致成本上漲、造價較高。若在湖南地區變電站中規模化推廣應用, 將大大減少生產成本, 降低單體造價。經過調研國內專業生產電力工程預制構件的廠家, 批量化生產條件下, 裝配式防火墻的造價可控制在1 000 元/m2左右。

4 結語

本文調查了國內電網項目常規現澆框架+填充墻防火墻及裝配式防火墻的優缺點, 在研究了預制構件設計、加工工藝及施工安裝等基礎上, 結合湖南地區工程實際, 首次在湖南地區變電站工程中運用了裝配式防火墻, 并提出了典型設計方案, 為國網湖南省電力公司全面推進裝配式防火墻在變電站中的應用提供有力的技術支撐和指導。