湖南地區(qū)變電站裝配式防火墻試點(diǎn)應(yīng)用研究

文飛，周贊，柳燦

(1. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，湖南長沙410004；2. 中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙410007)

0 引言

當(dāng)前我國裝配式變電站建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。裝配式防火墻作為裝配式變電站的重要構(gòu)成部分, 目前在江蘇、浙江、廣東等沿海發(fā)達(dá)省份進(jìn)行了部分試點(diǎn), 并且已經(jīng)應(yīng)用在電壓等級(jí) 110 ～500 kV的變電站工程中。

裝配式防火墻技術(shù), 符合國家電網(wǎng)有限公司要求變電站在通用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上全面推行 “資源節(jié)約型, 環(huán)境友好型和工業(yè)化” 建設(shè)要求, 具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化組合、工業(yè)化生產(chǎn)、集約化施工等一系列優(yōu)點(diǎn), 能大大加快變電站的建設(shè)進(jìn)程, 具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和較強(qiáng)的推廣應(yīng)用前景[1-5]。

湖南地處中部內(nèi)陸地區(qū), 目前尚無變電站裝配式防火墻的應(yīng)用研究及工程實(shí)例。本文依托湖南某220 kV 變電站試點(diǎn)工程, 開展湖南地區(qū)變電站裝配式防火墻的研究應(yīng)用, 對(duì)今后湖南地區(qū)變電站裝配式防火墻的建設(shè)提供參考。

1 常規(guī)防火墻與裝配式防火墻的對(duì)比分析

1.1 常規(guī)防火墻與裝配式防火墻種類及做法簡(jiǎn)介

變電站防火墻的常規(guī)結(jié)構(gòu)型式主要為現(xiàn)澆鋼筋混凝土實(shí)體墻和現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架+砌體填充墻兩種結(jié)構(gòu)型式。現(xiàn)澆鋼筋混凝土實(shí)體墻的墻身和基礎(chǔ)部分都是由鋼筋混凝土材料構(gòu)成, 與剪力墻結(jié)構(gòu)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?，F(xiàn)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(jié)能環(huán)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(chǔ)、預(yù)制混凝土柱、預(yù)制墻板和封口梁組成。其中防火墻的立柱基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆杯形基礎(chǔ), 立柱插入后采用細(xì)石混凝土二次灌漿填實(shí)。防火墻的主要受力構(gòu)件為預(yù)制鋼筋混凝土柱, 柱設(shè)有特殊凹槽, 安裝完成后卡入預(yù)制墻板, 防火墻上部再采用預(yù)制鋼筋混凝土梁進(jìn)行封口。預(yù)制墻板主要有預(yù)制實(shí)心混凝土板、FC 板、ALC 板和水泥基墻板等類型[2-5]。

1.2 常規(guī)防火墻與裝配式防火墻的對(duì)比分析

常規(guī)的傳統(tǒng)現(xiàn)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(xiàn)澆防火墻受環(huán)境影響較大, 成品容易出現(xiàn)變色、返堿、開裂等質(zhì)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(xì)部工藝在工廠成型, 外觀簡(jiǎn)單、工藝精良。從施工工藝上看, 現(xiàn)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(xiàn)裂縫時(shí)維修困難, 而裝配式防火墻立柱、墻板、頂梁全部采用專用設(shè)備一次性成型, 組件簡(jiǎn)單, 施工方便。裝配式防火墻由于采用工廠化生產(chǎn), 質(zhì)量穩(wěn)定, 大幅縮短施工周期,較現(xiàn)澆防火墻可節(jié)約2/3 的工期, 降低施工能耗約20%。但從施工成本上比較, 現(xiàn)澆防火墻施工經(jīng)驗(yàn)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(guī)?；谱? 前期投入模具及設(shè)備成本較高, 單體造價(jià)要高于現(xiàn)澆防火墻, 前期一次投入成本較現(xiàn)澆防火墻增加約50%[6-8]。

2 裝配式防火墻典型設(shè)計(jì)方案

2.1 裝配式防火墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析及解決方案

裝配式結(jié)構(gòu)是一種處于研究及試驗(yàn)階段的新技術(shù)。變電站采用裝配式防火墻需重點(diǎn)解決的難題:

1) 保障預(yù)制構(gòu)件之間連接的性能和結(jié)構(gòu)整體的性能。

2) 當(dāng)防火墻頂部構(gòu)架有導(dǎo)線水平拉力時(shí), 防火墻應(yīng)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(jié)構(gòu)施工安裝方便。

為了解決問題, 在設(shè)計(jì)方案研究中借鑒建筑行業(yè)房屋裝配式疊合結(jié)構(gòu)的理論, 采取干、濕連接技術(shù), 在防火墻頂梁、柱節(jié)點(diǎn)處采用現(xiàn)澆混凝土, 形成梁、柱的剛性整體結(jié)構(gòu), 柱與杯口基礎(chǔ)、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(gòu)架與防火墻框架及基礎(chǔ)形成一個(gè)受力整體, 能有效抵抗構(gòu)架導(dǎo)線水平拉力, 又方便施工安裝。同時(shí)防火墻預(yù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過前期大量的調(diào)研收資及計(jì)算分析, 結(jié)合工程造價(jià)及工程可實(shí)施性等多方面因素, 確定最終的裝配式防火墻采用基礎(chǔ)和梁柱節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆、整體預(yù)制抗風(fēng)柱、分段預(yù)制基礎(chǔ)梁及疊合頂梁、分段預(yù)制混凝土實(shí)心墻板的組合方案。

抗風(fēng)柱采用基底―墻頂全段整體預(yù)制方式。圖1 給出了抗風(fēng)柱斷面結(jié)構(gòu)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(gòu)架柱腳法蘭相協(xié)調(diào)。工字型及槽型柱凹槽用于安裝梁、墻板；柱頂預(yù)留頂梁高范圍用于節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆；柱頂縱向鋼筋按錨固要求預(yù)留錨固長度, 現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)時(shí)錨入梁內(nèi)?；A(chǔ)采用現(xiàn)澆杯口式基礎(chǔ), 柱下端插入杯口后用細(xì)石混凝土澆灌。

防火墻在兩個(gè)標(biāo)高處設(shè)置梁, 分別為基礎(chǔ)梁和墻頂梁?；A(chǔ)梁采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 安裝于基礎(chǔ)杯口處。柱安裝就位、基礎(chǔ)回填后, 將預(yù)制基礎(chǔ)梁置于基礎(chǔ)杯口上。墻頂梁以柱為節(jié)點(diǎn)采用分段預(yù)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(shí)梁、柱鋼筋按抗震要求錨固至節(jié)點(diǎn)區(qū), 柱頂預(yù)埋鐵須按要求進(jìn)行預(yù)埋。梁、柱節(jié)點(diǎn)混凝土在以上工作完成后澆筑。

圖1 裝配式防火墻抗風(fēng)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(gòu)架與防火墻框架及基礎(chǔ)形成一個(gè)受力整體, 能有效抵抗構(gòu)架導(dǎo)線水平拉力, 又對(duì)裝配式防火墻的主要組成構(gòu)件進(jìn)行了細(xì)部拆分, 保證了裝配式結(jié)構(gòu)施工安裝方便。

墻板采用預(yù)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(shí)吊裝至柱頂, 對(duì)準(zhǔn)柱預(yù)留插槽裝入設(shè)計(jì)位置并調(diào)整豎直后填縫固定即可。墻板及頂梁的底部預(yù)留凹槽, 墻板的底部預(yù)留凸緣, 安裝時(shí)凸緣插入凹槽內(nèi), 并采用防火泥進(jìn)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(yīng)用實(shí)例

以湖南地區(qū)某220 kV 變電站新建工程為例,規(guī)劃安裝3 臺(tái)180 MVA 有載調(diào)壓變壓器, 本期安裝1 臺(tái)180 MVA 有載調(diào)壓變壓器。主變電站構(gòu)架采用1 組3 跨連梁門型構(gòu)架, 除兩端采用A 型構(gòu)架和帶端撐A 型構(gòu)架外, 其余構(gòu)架設(shè)置于防火墻上,每跨15 m, 構(gòu)架高度14 m, 防火墻長 12 m, 高8 m。構(gòu)架軸側(cè)圖如圖4 所示。

圖4 主變構(gòu)架及防火墻軸側(cè)圖

主變防火墻基礎(chǔ)采用2.5 m×2.5 m 現(xiàn)澆混凝土杯口基礎(chǔ)?？癸L(fēng)柱采用預(yù)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(fēng)柱采用插入式, 通過二次灌漿與基礎(chǔ)形成一個(gè)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(yù)制矩形截面梁, 置于防火墻基礎(chǔ)頂面, 通過基礎(chǔ)頂預(yù)埋鐵件與梁底預(yù)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(guī)格的預(yù)制鋼筋混凝土實(shí)心板, 墻板之間通過預(yù)留企口咬合連接。頂梁采用半預(yù)制半現(xiàn)澆方式, 預(yù)制梁結(jié)合面設(shè)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(jié)點(diǎn)連接采用整體現(xiàn)澆方式, 使梁柱頂部現(xiàn)場(chǎng)澆筑在一起, 便于防火墻各部分形成一個(gè)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(yīng)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(tǒng)一化生產(chǎn), 混凝土料統(tǒng)一攪拌, 產(chǎn)品成型后統(tǒng)一養(yǎng)護(hù), 溫度、濕度比較恒定, 表面顏色一致, 無需二次裝飾, 不但節(jié)省能源和財(cái)力, 而且質(zhì)量波動(dòng)小。而傳統(tǒng)的現(xiàn)澆防火墻, 由于勞動(dòng)力技術(shù)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(xiàn)澆方案, 經(jīng)綁扎鋼筋、支模、澆筑、養(yǎng)護(hù)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(shí)間約為現(xiàn)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(jià)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(jià)為26 萬元。傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土框架+砌體填充墻的綜合單價(jià)約520 元/m2, 裝配式防火墻與之相比, 其造價(jià)提高約一倍。但從長遠(yuǎn)運(yùn)行維護(hù)來看, 裝配式防火墻在變電站設(shè)計(jì)使用年限之內(nèi)無需更換和修繕, 后期維護(hù)成本很低。由于本工程單體工程量較小, 制作廠家需單獨(dú)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)及加工, 導(dǎo)致成本上漲、造價(jià)較高。若在湖南地區(qū)變電站中規(guī)模化推廣應(yīng)用, 將大大減少生產(chǎn)成本, 降低單體造價(jià)。經(jīng)過調(diào)研國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)電力工程預(yù)制構(gòu)件的廠家, 批量化生產(chǎn)條件下, 裝配式防火墻的造價(jià)可控制在1 000 元/m2左右。

4 結(jié)語

本文調(diào)查了國內(nèi)電網(wǎng)項(xiàng)目常規(guī)現(xiàn)澆框架+填充墻防火墻及裝配式防火墻的優(yōu)缺點(diǎn), 在研究了預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)、加工工藝及施工安裝等基礎(chǔ)上, 結(jié)合湖南地區(qū)工程實(shí)際, 首次在湖南地區(qū)變電站工程中運(yùn)用了裝配式防火墻, 并提出了典型設(shè)計(jì)方案, 為國網(wǎng)湖南省電力公司全面推進(jìn)裝配式防火墻在變電站中的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐和指導(dǎo)。