特高压直流换流站调相机厂房装配式技术研究

王 进

(中南电力设计院有限公司，武汉 430071)

装配式混凝土结构是指以工厂化生产的钢筋混凝土预制构件为主，通过现场装配的方式设计、建造，具有施工速度快，利于冬期施工，生产效率高，产品质量好，减少了物料损耗等特点。我国预制混凝土结构的工程应用始于二十世纪五十年代，一方面由于当时技术水平限制，预制混凝土构件存在着跨度小、承载力低、延性差、品种单一等诸多问题；另一方面由于唐山地震中大量预制混凝土结构遭到破坏使人们对预制结构的应用更加保守，预制混凝土结构的发展受到了阻碍[1]，逐步被现浇混凝土结构所取代。

近些年，随着我国建筑行业产业化的发展，建筑的工业化改革势在必行。住宅建筑工业化首先要提高工业化的生产和施工技术，从而提高劳动生产率、降低成本、保证工程质量。2016年9月27日，国务院印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71号)，对发展装配式建筑的概念、必要性、优越性、主要任务、实施步骤、需要注意和研究解决的问题等相关政策进行了解读。

在特高压直流工程中，换流站是整个直流输电系统的重中之重。在特高压直流换流站建设工期日益紧张的现状下，土建施工的工期一再压缩，采用常规的设计方案难以满足工期要求，且施工质量难以保证；作为换流站重要组成部分的调相机工程，主要建筑物的标准化、工厂化程度较低，建设效率低；为降低现场作业强度、提高施工质量，与换流站内的装配式建构筑物协调、统一，调相机区域主要建筑物的装配式设计与建设是必然的选择。

1 国内在建的调相机厂房结构体系

特高压直流换流站调相机区域的建构筑物主要包括调相机厂房、除盐水处理车间、机械通风冷却塔、循环水泵房、变压器基础、避雷线塔、500 kV GIS设备基础等。调相机厂房体量大，主要用于布置调相机及附属设备，是调相机区域最重要的建筑物。

目前，国内已建成的调相机厂房均采用钢筋混凝土框排架结构体系，运转层平台采用钢筋混凝土梁-板结构，调相机房屋面采用实腹钢梁、压型钢板为底模的钢梁-混凝土组合屋面板，见图1。

2 调相机厂房的装配式方案

调相机厂房的框架柱、框架梁均采用装配式构件，考虑装配式构件预制、运输、安装的便利，调相机厂房混凝土柱的预制长度不宜大于12 m。其中，框架柱在标高+1.000 m、+13.000 m处设置柱-柱连接节点。框架梁两端根据实际情况选用装配式梁柱节点，其中梁侧无楼板的框架梁可选用端干式企口梁柱节点，梁侧有楼板的框架梁可选用直螺纹套筒及钢板连接的梁柱节点。图2为装配式调相机厂房的横向框架布置图。

调相机的楼层结构采用叠合楼板，预制板选用预应力预制空心板或预应力槽形板。预制板的两端先搁置在框架梁两侧的安装牛腿上，然后浇筑叠合层，保证楼层结构的整体性。调相机厂房的围护结构采用外挂混凝土预制墙板，安装方便、施工快速。墙板可以选用轻质的多气孔混凝土成型板材，满足围护结构对保温隔热性、耐火性的要求[2]。外挂单层压型钢板，保证外立面效果与特高压直流换流站的整体要求保持一致。楼梯选用预制楼梯。

3 连接节点试验及有限元分析

我国是多地震国家，连接节点的抗震性能是装配式结构研究的重点[3-5]。装配式调相机厂房选取柱-柱连接节点和梁柱连接节点，分别进行了有限元分析和节点试验，对节点的抗震性能进行研究。

3.1 柱-柱连接节点

以某钢筋混凝土装配式调相机厂房为工程背景，选取框架柱的单榫柱-柱节点为研究对象，见图3装配式单榫柱-柱节点的简图：上柱底部中央设置榫头，下柱顶部中央设置凹槽。安装时，上柱下柱通过榫卯结构固定，焊接预埋钢板完成节点安装。

从图4可以得出：在加载初期，滞回曲线较为尖锐，表明节点处于弹性阶段；随着荷载逐级增加，滞回曲线接近梭形，表明节点已进入塑性变形阶段；当节点进入破坏阶段时，滞回曲线变为Z形，表明节点刚度退化，耗能能力大幅降低。总体而言，节点滞回曲线较为丰满,各个滞回环等效粘滞系数随着荷载步逐渐增大，表明试件抗震耗能能力较好。

3.2 梁-柱连接节点

以某钢筋混凝土装配式调相机厂房为工程背景，设计的直螺纹套筒梁柱节点，如图5所示。梁顶部纵向受力钢筋通过直螺纹套筒与柱连接，梁底通过牛腿及梁底的预埋钢板焊接，二次浇注叠合层后，梁柱形成整体结构。此节点预制梁的叠合层可与楼板一同浇注，施工方便；由于有叠合层，节点整体性能较好。基于此节点建立有限元模型，如图6所示，对螺纹套筒采用了薄壳单元模拟。

从图7可以看出：在周期反复荷载作用下，滞回曲线类似于梭形，节点处于弹性阶段；随着荷载逐级增加，滞回环产生“捏缩”，节点的强度和刚度均退化；当节点进入破坏阶段时，荷载位移曲线的斜率急剧下降，构件耗能能力逐渐丧失至最终破坏。总体而言，试件滞回环形状较为饱满，表明其耗能性能较好，各个滞回环等效粘滞系数随着荷载步逐渐增大，说明试件抗震耗能能力较好。节点的延性系数与普通现浇混凝土结构相当。

从图8可以发现，节点试验与有限元模拟的位移-荷载曲线，两者在试件屈服前的曲线基本吻合；随着荷载增加，试件混凝土开裂、钢筋与混凝土相对滑移等因素导致两者偏差越来越大。因为牛腿的存在，位移-荷载曲线不对称，即正向与反向承载力不相等。

4 结 论

装配式混凝土结构是未来建筑工业化发展的趋势，特高压直流换流站调相机区域主要建筑物的装配式设计研究顺应了这一趋势，发挥装配式结构生产、施工效率高，减少环境污染，降低工人劳动强度等优点。同时，也对火力发电厂建构筑物的装配式研究提供参考。