陶粒混凝土裝配式輕質圍墻在變電站中的應用

伍紹慧　張春暉　廖海強

摘要：為解決湖南地區變電站圍墻存在質量通病的現狀，提出陶粒混凝土裝配式輕質圍墻方案。對圍墻構件尺寸進行優化設計，利用有限元程序對圍墻構件的受力狀態進行模擬計算，理論推導其全壽命周期，在工廠制作樣品試點，綜合評估其技術經濟優勢，驗證該技術方案的可推廣價值，為裝配式輕質圍墻在湖南地區變電站工程中的推廣應用奠定基礎。

關鍵詞：裝配式；變電站；輕質圍墻；陶粒混凝土；空心板 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU47 文章編號：1009-2374（2016）19-0116-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.056

1 概述

隨著“兩型一化”社會建設的逐步推進，變電站建設必須以縮短建設周期、可工業化生產制作、降低運行維護成本、延長使用壽命為發展方向。目前湖南地區輸變電工程變電站圍墻基本采用的是磚砌圍墻，磚砌圍墻存在抹灰空鼓、裂縫、表面龜裂、脫落、返堿、起毛等質量通病，且壽命周期短、施工周期長，受環境氣候影響較大。

2 材料選型

目前，國內外研究和應用的輕質混凝土主要有輕骨料混凝土、泡沫混凝土和蒸壓加氣混凝土。本項目選用輕骨料混凝土作為墻體材料。根據對湖南地區輕骨料的工業化生產情況考察得知，在長沙周邊有廠家生產頁巖陶粒，頁巖陶粒是一種質輕且有一定強度的輕骨料，主要是采用高溫燒成的，陶粒混凝土耐酸、堿腐蝕性能優于普通混凝土。綜合考慮，本課題選用陶粒混凝土作為裝配式輕質圍墻墻體材料，符合“兩型一化”要求。

3 技術方案

3.1 陶粒混凝土配合比設計

根據陶粒混凝土耐久性規定，湖南地區工程陶粒混凝土強度等級不應低于LC25，因此本方案構件材料采用LC25或LC30陶粒混凝土。經過理論計算，得出LC25、LC30陶粒混凝土配合比。

3.2 構件尺寸設計

裝配式輕質圍墻由墻板、立柱、壓頂、柱帽、地梁和基礎六部分構件組成。其組裝如圖1所示。中間區段柱軸心距為3m，相應的壓頂長度為2.64m；端部柱間距根據工程實際進行調整，調整后的柱軸心距取2～3m，相應的端部壓頂長度亦根據調整后的柱距進行調整。

墻板：墻板尺寸為2910×600×90的LC25陶粒混凝土空心預制板，板中均勻開7個孔，孔徑為55mm，孔中心距為80mm，每側布置6根直徑為4mm的冷拔鋼絲。工廠統一制作，現場裝配施工。

立柱：采用LC30鋼筋陶粒混凝土預制柱，縱向受力鋼筋為6根直徑為14mm的HRB400級鋼筋，箍筋為直徑為6mm的HPB300級鋼筋（箍筋間距為200mm），由工廠統一制作，預制柱預留槽口，用于圍墻板卡入安裝，圍墻板與槽口的縫隙采用細石混凝土填縫處理。立柱與基礎間采用插入式連接，C35細石混凝土灌漿處理。考慮混凝土保護層的最小厚度要求，立柱翼緣厚度不小于75mm，立柱陽角處均倒圓角，倒角半徑為20mm。針對圍墻中間區段立柱、圍墻轉角處立柱、圍墻端部立柱分別進行設計，設計尺寸如圖2所示：

柱帽：LC25預制陶粒混凝土構件，頂部陽角倒圓角，倒角半徑為20mm，預留滴水線。分別對中間區段柱柱帽、轉角處柱帽、端部柱柱帽進行設計，設計尺寸如圖3～圖5所示。

壓頂：LC25預制陶粒鋼筋混凝土構件，頂部陽角倒圓角，倒角半徑為20mm，配置2根直徑為8mm的構造鋼筋，預留滴水線。中間區段壓頂長度為2640mm，端部壓頂長度根據工程實際進行調整。

基礎采用C30混凝土獨立杯口基礎。

3.3 荷載取值

3.3.1 恒載：結構構件自重，取重力加速度為9.8m/s2。

3.3.2 風荷載：湖南地區50年一遇基本風壓為0.3～0.40kN/m2，取最大基本風壓ω0=0.04kN/m2進行

計算。

風荷載標準值：，風荷載體型系數，風振系數以及風壓高度變化系數均取為1.0，基本組合分項系數取為1.4。

3.4 有限元分析

有限元模型采用分離式模型（位于協調），陶粒混凝土采用Solid65單元，Willam-warnke強度準則，多線性等向強化模型（MISO），關閉壓碎開關，裂縫張開和閉合的剪力傳遞系數分別取0.5和1；鋼筋采用link8單元，Mises屈服準則，雙線性隨動強化模型（BKIN）。

3.4.1 立柱有限元分析。

第一，有限元模型的建立。立柱有限元模型如圖6所示，在模型的固定端施加X、Y、Z三個方向的位移約束，施加面荷載與慣性加速度。

第二，承載能力極限狀態受力分析。取風荷載與重力荷載的基本組合進行極限承載能力計算，計算分析結果如圖7所示。

經分析可知，陶粒混凝土壓應力最大值為3.4MPa，小于陶粒混凝土的抗壓強度14.3MPa，滿足承載力要求。鋼筋最大拉應力為54.4MPa，最大壓應力為17.4MPa，均小于鋼筋的屈服強度，滿足承載力要求。

第三，正常使用極限狀態受力分析。取風荷載與重力荷載的標準組合進行計算，計算分析結果如圖8

所示。

經分析可知，立柱未開裂，撓度為1.94mm，根據規范立柱的撓度限制為[H/100]=25mm，滿足撓度要求。

3.4.2 墻板有限元分析。

第一，有限元模型的建立。墻板有限元模型如圖9所示，在模型的兩端施加X、Y、Z三個方向的位移約束，在模型的底部施加Y向約束；加載面施加面荷載，重力通過對材料的質量密度與慣性加速度進行設置來

確定。

第二，受力分析。取風荷載與重力荷載的基本組合進行極限承載能力計算，計算分析結果如圖10所示。

對圖10進行分析可知，墻板最大拉應力為0.944MPa，小于抗拉強度1.27MPa；墻板最大壓應力為0.87MPa，小于抗壓強度11.9MPa，滿足承載力要求。墻板最大撓度為320.1，根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）表3.4.3，墻板的位移限制為[L/200]=15000，滿足規范要求。

對裂縫分析可知，墻板在極限承載能力狀態下未開裂，滿足規范要求。

3.5 全壽命周期推算

采用目前具有實用價值的碳化理論數學模型對結構工作壽命進行預測，采用中國建筑科學研究院混凝土研究所龔洛書等人提出的混凝土多系數碳化數學模型。

通過計算，本文配制的裝配式輕質圍墻陶粒混凝土墻板的使用壽命大于60年，滿足國網公司對建（構）筑物使用壽命60年的要求。

3.6 吊裝方案

3.6.1 立柱吊裝。立柱為工字型截面鋼筋陶粒混凝土柱，單根立柱重量約為220kg。在立柱腹板豎向中心線距離柱頂1m處開一個直徑為20mm的孔洞，用于吊裝。

3.6.2 墻板吊裝。陶粒混凝土空心板，單塊墻板重量約為170kg，墻板頂設置凹槽，凹槽內預埋吊鉤。

4 經濟指標

本方案所研究裝配式輕質圍墻與傳統磚砌圍墻及目前國內已應用的裝配式圍墻經濟指標對比詳見表1。

粗灰砂飾面磚砌圍墻一次性建設單價約為400元/延米，考慮全壽命周期內需要多次維修或重建，綜合單價約為1200元/延米。

由表1中可知，本方案所設計的陶粒混凝土裝配式輕質圍墻經濟最優。

5 結語

（1）綜合考慮經濟性、工期、社會效益、全壽命周期及環境氣候等因素，本方案裝配式輕質圍墻具有在湖南地區推廣應用價值。綜合造價約為磚砌圍墻的79.2%，約為預制鋼筋混凝土墻板圍墻的79.2%，約為ALC墻板裝配式圍墻的73.1%，約為AS墻板裝配式圍墻的63.3%，約為FC墻板裝配式圍墻的51.35%；（2）墻板采用LC25陶粒混凝土空心板，立柱采用LC30鋼筋陶粒混凝土工字型截面柱，并配制出LC25、LC30陶粒混凝土配合比；（3）構件表面無需二次粉刷，重量約為普通混凝土板的50%～60%，減輕自重的同時環保；（4）利用有限元分析軟件ANSYS對所設計裝配式輕質圍墻進行了模擬分析，驗證了設計方案的合理、可靠；（5）通過全壽命周期推算，論證了所設計的裝配式輕質圍墻滿足國網公司要求的建（構）筑物60年使用壽命周期。

參考文獻

[1]中國建筑科學研究院.輕骨料混凝土結構技術規程

[S].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[2]中國建筑科學研究院.輕骨料混凝土技術規程[S].北

京：中國建筑工業出版社，2002.

[3]司炳國，孫治國，艾慶華.Solid65單元在混凝土結構

有限元分析中的應用[J].工業建筑，2007，37（1）.

[4]王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民

交通出版社，2007.

[5]中國建筑科學研究院.建筑結構荷載規范[S].北京：

中國建筑工業出版社，2006.

[6]龔洛書，蘇曼青，王洪琳.混凝土多系數碳化方程的

試驗研究[J].建筑科學，1986，（3）.

[7]龔洛書，蘇曼青，王洪琳.混凝土多系數碳化方程及

其應用[J].混凝土及加筋混凝土，1985，（6）.

[8]沈青松，盛曉紅，江香云，吳亮，盛松源.變電站

裝配式圍墻與防火墻的設計及工程應用[J].浙江電

力，2014，（3）.

作者簡介：伍紹慧（1986-），男，湖南科鑫電力設計有限公司工程師，工學碩士，研究方向：變電站設計。

（責任編輯：小 燕）