特高壓直流換流站調(diào)相機(jī)廠房裝配式技術(shù)研究

王 進(jìn)

(中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430071)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是指以工廠化生產(chǎn)的鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件為主，通過現(xiàn)場(chǎng)裝配的方式設(shè)計(jì)、建造，具有施工速度快，利于冬期施工，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，減少了物料損耗等特點(diǎn)。我國(guó)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用始于二十世紀(jì)五十年代，一方面由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平限制，預(yù)制混凝土構(gòu)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(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞使人們對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加保守，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展受到了阻礙[1]，逐步被現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)所取代。

近些年，隨著我國(guó)建筑行業(yè)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，建筑的工業(yè)化改革勢(shì)在必行。住宅建筑工業(yè)化首先要提高工業(yè)化的生產(chǎn)和施工技術(shù)，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本、保證工程質(zhì)量。2016年9月27日，國(guó)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》(國(guó)辦發(fā)〔2016〕71號(hào))，對(duì)發(fā)展裝配式建筑的概念、必要性、優(yōu)越性、主要任務(wù)、實(shí)施步驟、需要注意和研究解決的問題等相關(guān)政策進(jìn)行了解讀。

在特高壓直流工程中，換流站是整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的重中之重。在特高壓直流換流站建設(shè)工期日益緊張的現(xiàn)狀下，土建施工的工期一再壓縮，采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方案難以滿足工期要求，且施工質(zhì)量難以保證；作為換流站重要組成部分的調(diào)相機(jī)工程，主要建筑物的標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化程度較低，建設(shè)效率低；為降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)強(qiáng)度、提高施工質(zhì)量，與換流站內(nèi)的裝配式建構(gòu)筑物協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，調(diào)相機(jī)區(qū)域主要建筑物的裝配式設(shè)計(jì)與建設(shè)是必然的選擇。

1 國(guó)內(nèi)在建的調(diào)相機(jī)廠房結(jié)構(gòu)體系

特高壓直流換流站調(diào)相機(jī)區(qū)域的建構(gòu)筑物主要包括調(diào)相機(jī)廠房、除鹽水處理車間、機(jī)械通風(fēng)冷卻塔、循環(huán)水泵房、變壓器基礎(chǔ)、避雷線塔、500 kV GIS設(shè)備基礎(chǔ)等。調(diào)相機(jī)廠房體量大，主要用于布置調(diào)相機(jī)及附屬設(shè)備，是調(diào)相機(jī)區(qū)域最重要的建筑物。

目前，國(guó)內(nèi)已建成的調(diào)相機(jī)廠房均采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)體系，運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)采用鋼筋混凝土梁-板結(jié)構(gòu)，調(diào)相機(jī)房屋面采用實(shí)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(diào)相機(jī)廠房的裝配式方案

調(diào)相機(jī)廠房的框架柱、框架梁均采用裝配式構(gòu)件，考慮裝配式構(gòu)件預(yù)制、運(yùn)輸、安裝的便利，調(diào)相機(jī)廠房混凝土柱的預(yù)制長(zhǎng)度不宜大于12 m。其中，框架柱在標(biāo)高+1.000 m、+13.000 m處設(shè)置柱-柱連接節(jié)點(diǎn)?？蚣芰簝啥烁鶕?jù)實(shí)際情況選用裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)，其中梁側(cè)無樓板的框架梁可選用端干式企口梁柱節(jié)點(diǎn)，梁側(cè)有樓板的框架梁可選用直螺紋套筒及鋼板連接的梁柱節(jié)點(diǎn)。圖2為裝配式調(diào)相機(jī)廠房的橫向框架布置圖。

調(diào)相機(jī)的樓層結(jié)構(gòu)采用疊合樓板，預(yù)制板選用預(yù)應(yīng)力預(yù)制空心板或預(yù)應(yīng)力槽形板。預(yù)制板的兩端先擱置在框架梁兩側(cè)的安裝牛腿上，然后澆筑疊合層，保證樓層結(jié)構(gòu)的整體性。調(diào)相機(jī)廠房的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用外掛混凝土預(yù)制墻板，安裝方便、施工快速。墻板可以選用輕質(zhì)的多氣孔混凝土成型板材，滿足圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)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(yù)制樓梯。

3 連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)及有限元分析

我國(guó)是多地震國(guó)家，連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能是裝配式結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)[3-5]。裝配式調(diào)相機(jī)廠房選取柱-柱連接節(jié)點(diǎn)和梁柱連接節(jié)點(diǎn)，分別進(jìn)行了有限元分析和節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行研究。

3.1 柱-柱連接節(jié)點(diǎn)

以某鋼筋混凝土裝配式調(diào)相機(jī)廠房為工程背景，選取框架柱的單榫柱-柱節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，見圖3裝配式單榫柱-柱節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)圖：上柱底部中央設(shè)置榫頭，下柱頂部中央設(shè)置凹槽。安裝時(shí)，上柱下柱通過榫卯結(jié)構(gòu)固定，焊接預(yù)埋鋼板完成節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)處于彈性階段；隨著荷載逐級(jí)增加，滯回曲線接近梭形，表明節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入塑性變形階段；當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入破壞階段時(shí)，滯回曲線變?yōu)閆形，表明節(jié)點(diǎn)剛度退化，耗能能力大幅降低?？傮w而言，節(jié)點(diǎn)滯回曲線較為豐滿,各個(gè)滯回環(huán)等效粘滯系數(shù)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(jié)點(diǎn)

以某鋼筋混凝土裝配式調(diào)相機(jī)廠房為工程背景，設(shè)計(jì)的直螺紋套筒梁柱節(jié)點(diǎn)，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(yù)埋鋼板焊接，二次澆注疊合層后，梁柱形成整體結(jié)構(gòu)。此節(jié)點(diǎn)預(yù)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(jié)點(diǎn)整體性能較好。基于此節(jié)點(diǎn)建立有限元模型，如圖6所示，對(duì)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(fù)荷載作用下，滯回曲線類似于梭形，節(jié)點(diǎn)處于彈性階段；隨著荷載逐級(jí)增加，滯回環(huán)產(chǎn)生“捏縮”，節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度均退化；當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入破壞階段時(shí)，荷載位移曲線的斜率急劇下降，構(gòu)件耗能能力逐漸喪失至最終破壞。總體而言，試件滯回環(huán)形狀較為飽滿，表明其耗能性能較好，各個(gè)滯回環(huán)等效粘滯系數(shù)隨著荷載步逐漸增大，說明試件抗震耗能能力較好。節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)與普通現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相當(dāng)。

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)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(duì)滑移等因素導(dǎo)致兩者偏差越來越大。因?yàn)榕Ｍ鹊拇嬖冢灰?荷載曲線不對(duì)稱，即正向與反向承載力不相等。

4 結(jié) 論

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是未來建筑工業(yè)化發(fā)展的趨勢(shì)，特高壓直流換流站調(diào)相機(jī)區(qū)域主要建筑物的裝配式設(shè)計(jì)研究順應(yīng)了這一趨勢(shì)，發(fā)揮裝配式結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、施工效率高，減少環(huán)境污染，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，也對(duì)火力發(fā)電廠建構(gòu)筑物的裝配式研究提供參考。