湖南地区变电站装配式防火墙试点应用研究

文飞，周赞，柳灿

(1. 国网湖南省电力有限公司经济技术研究院，湖南长沙410004；2. 中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南长沙410007)

0 引言

当前我国装配式变电站建设进入快速发展阶段。装配式防火墙作为装配式变电站的重要构成部分, 目前在江苏、浙江、广东等沿海发达省份进行了部分试点, 并且已经应用在电压等级 110 ～500 kV的变电站工程中。

装配式防火墙技术, 符合国家电网有限公司要求变电站在通用设计基础上全面推行 “资源节约型, 环境友好型和工业化” 建设要求, 具有标准化设计、模块化组合、工业化生产、集约化施工等一系列优点, 能大大加快变电站的建设进程, 具有较好的经济效益和较强的推广应用前景[1-5]。

湖南地处中部内陆地区, 目前尚无变电站装配式防火墙的应用研究及工程实例。本文依托湖南某220 kV 变电站试点工程, 开展湖南地区变电站装配式防火墙的研究应用, 对今后湖南地区变电站装配式防火墙的建设提供参考。

1 常规防火墙与装配式防火墙的对比分析

1.1 常规防火墙与装配式防火墙种类及做法简介

变电站防火墙的常规结构型式主要为现浇钢筋混凝土实体墙和现浇钢筋混凝土框架+砌体填充墙两种结构型式。现浇钢筋混凝土实体墙的墙身和基础部分都是由钢筋混凝土材料构成, 与剪力墙结构有一定相似之处, 具有较为突出的防火性能, 采用一次性整体浇筑成型。现浇钢筋混凝土框架+砌体填充墙型式的框架采用清水混凝土施工工艺一次浇筑成型, 防火墙填充墙采用蒸压灰砂砖或粉煤灰砖等节能环保砖, 用混合砂浆砌筑[2-5]。

变电站装配式防火墙主要由基础、预制混凝土柱、预制墙板和封口梁组成。其中防火墙的立柱基础采用现浇杯形基础, 立柱插入后采用细石混凝土二次灌浆填实。防火墙的主要受力构件为预制钢筋混凝土柱, 柱设有特殊凹槽, 安装完成后卡入预制墙板, 防火墙上部再采用预制钢筋混凝土梁进行封口。预制墙板主要有预制实心混凝土板、FC 板、ALC 板和水泥基墙板等类型[2-5]。

1.2 常规防火墙与装配式防火墙的对比分析

常规的传统现浇防火墙与装配式防火墙均具有较好的耐久性和防火性能, 使用年限和耐火极限均能满足变电站的使用要求。从外观上看, 现浇防火墙受环境影响较大, 成品容易出现变色、返碱、开裂等质量通病, 耐久性差, 而装配式防火墙外形美观、颜色均匀、不吸水, 顶梁滴水线等细部工艺在工厂成型, 外观简单、工艺精良。从施工工艺上看, 现浇防火墙施工工艺要求极高, 有较高的返工率, 且施工周期长, 出现裂缝时维修困难, 而装配式防火墙立柱、墙板、顶梁全部采用专用设备一次性成型, 组件简单, 施工方便。装配式防火墙由于采用工厂化生产, 质量稳定, 大幅缩短施工周期,较现浇防火墙可节约2/3 的工期, 降低施工能耗约20%。但从施工成本上比较, 现浇防火墙施工经验成熟, 工程前期一次投入成本较低, 而装配式防火墙由于工厂化、规模化制作, 前期投入模具及设备成本较高, 单体造价要高于现浇防火墙, 前期一次投入成本较现浇防火墙增加约50%[6-8]。

2 装配式防火墙典型设计方案

2.1 装配式防火墙结构设计难点分析及解决方案

装配式结构是一种处于研究及试验阶段的新技术。变电站采用装配式防火墙需重点解决的难题:

1) 保障预制构件之间连接的性能和结构整体的性能。

2) 当防火墙顶部构架有导线水平拉力时, 防火墙应满足安全性、可靠性等要求。

3) 主变压器防火墙必须满足3 h 的防火性能。

4) 保证装配式结构施工安装方便。

为了解决问题, 在设计方案研究中借鉴建筑行业房屋装配式叠合结构的理论, 采取干、湿连接技术, 在防火墙顶梁、柱节点处采用现浇混凝土, 形成梁、柱的刚性整体结构, 柱与杯口基础、柱与板之间采用承插方式连接。该方案既确保防火墙整体性能安全可靠, 使防火墙顶部构架与防火墙框架及基础形成一个受力整体, 能有效抵抗构架导线水平拉力, 又方便施工安装。同时防火墙预制墙板采用厚度150 mm 的钢筋混凝土板, 能满足防火墙3 h的耐火极限要求。

2.2 装配式防火墙结构设计方案

经过前期大量的调研收资及计算分析, 结合工程造价及工程可实施性等多方面因素, 确定最终的装配式防火墙采用基础和梁柱节点现浇、整体预制抗风柱、分段预制基础梁及叠合顶梁、分段预制混凝土实心墙板的组合方案。

抗风柱采用基底―墙顶全段整体预制方式。图1 给出了抗风柱断面结构型式, 中间柱采用工字型截面, 边柱采用槽型截面, 中间柱柱头截面放大与构架柱脚法兰相协调。工字型及槽型柱凹槽用于安装梁、墙板；柱顶预留顶梁高范围用于节点现浇；柱顶纵向钢筋按锚固要求预留锚固长度, 现浇节点时锚入梁内。基础采用现浇杯口式基础, 柱下端插入杯口后用细石混凝土浇灌。

防火墙在两个标高处设置梁, 分别为基础梁和墙顶梁。基础梁采用预制钢筋混凝土结构, 安装于基础杯口处。柱安装就位、基础回填后, 将预制基础梁置于基础杯口上。墙顶梁以柱为节点采用分段预制梁, 梁端每边超出柱边100 mm 的搁置长度,如图2 所示。安装时梁、柱钢筋按抗震要求锚固至节点区, 柱顶预埋铁须按要求进行预埋。梁、柱节点混凝土在以上工作完成后浇筑。

图1 装配式防火墙抗风柱断面图

图2 装配式防火墙顶梁断面图

该方案既确保防火墙整体性能安全可靠, 防火墙顶部构架与防火墙框架及基础形成一个受力整体, 能有效抵抗构架导线水平拉力, 又对装配式防火墙的主要组成构件进行了细部拆分, 保证了装配式结构施工安装方便。

墙板采用预制钢筋混凝土墙板, 墙板厚度150 mm , 如图3 所示, 满足防火墙3 h 的耐火极限要求。墙板施工时吊装至柱顶, 对准柱预留插槽装入设计位置并调整竖直后填缝固定即可。墙板及顶梁的底部预留凹槽, 墙板的底部预留凸缘, 安装时凸缘插入凹槽内, 并采用防火泥进行填充, 以保证墙和墙之间、墙和梁之间的密封性能。

图3 装配式防火墙墙板断面图

3 工程应用实例

以湖南地区某220 kV 变电站新建工程为例,规划安装3 台180 MVA 有载调压变压器, 本期安装1 台180 MVA 有载调压变压器。主变电站构架采用1 组3 跨连梁门型构架, 除两端采用A 型构架和带端撑A 型构架外, 其余构架设置于防火墙上,每跨15 m, 构架高度14 m, 防火墙长 12 m, 高8 m。构架轴侧图如图4 所示。

图4 主变构架及防火墙轴侧图

主变防火墙基础采用2.5 m×2.5 m 现浇混凝土杯口基础。抗风柱采用预制钢筋混凝土柱, 中柱采用700 mm×700 mm “工” 字型截面, 边柱采用600 mm×500 mm “ [” 型截面, 抗风柱采用插入式, 通过二次灌浆与基础形成一个整体。柱上留有的100 mm 槽口用于防火墙板的安装。地梁采用250 mm×500 mm 预制矩形截面梁, 置于防火墙基础顶面, 通过基础顶预埋铁件与梁底预埋铁件焊接固定。防火墙板采用3 760 mm×2 470 mm×150 mm、1 960 mm×2 470 mm×150 mm 两种规格的预制钢筋混凝土实心板, 墙板之间通过预留企口咬合连接。顶梁采用半预制半现浇方式, 预制梁结合面设置不小于6 mm 粗糙度剪力键槽。顶梁上半部分及其两端与柱头节点连接采用整体现浇方式, 使梁柱顶部现场浇筑在一起, 便于防火墙各部分形成一个整体, 以保证框架的受力完整性及合理性。主变电站装配式防火墙应用效果如图5 所示。

图5 装配式防火墙组装成品图

从图5 可以看出, 装配式防火墙中的立柱和墙板均是工厂统一化生产, 混凝土料统一搅拌, 产品成型后统一养护, 温度、湿度比较恒定, 表面颜色一致, 无需二次装饰, 不但节省能源和财力, 而且质量波动小。而传统的现浇防火墙, 由于劳动力技术方面的限制, 往往造成外观问题, 需要二次修饰, 墙面采用混凝土砌块的, 后期抹灰容易脱落和开裂。

以本工程一堵高8 m、宽12 m 的防火墙工程为例, 如果采用现浇方案, 经绑扎钢筋、支模、浇筑、养护等多道工序, 在天气条件合适的情况下需要约45 天方可完成防火墙施工。本工程采用装配式防火墙方案, 六名普通建筑工人15 天左右即可装配完成, 施工时间约为现浇防火墙方案的1/3。

本工程主变电站装配式防火墙的造价约1 300 元/m2, 本期变电站共新建两片防火墙, 总面积为200 m2, 装配式防火墙总造价为26 万元。传统现浇混凝土框架+砌体填充墙的综合单价约520 元/m2, 装配式防火墙与之相比, 其造价提高约一倍。但从长远运行维护来看, 装配式防火墙在变电站设计使用年限之内无需更换和修缮, 后期维护成本很低。由于本工程单体工程量较小, 制作厂家需单独进行模具设计及加工, 导致成本上涨、造价较高。若在湖南地区变电站中规模化推广应用, 将大大减少生产成本, 降低单体造价。经过调研国内专业生产电力工程预制构件的厂家, 批量化生产条件下, 装配式防火墙的造价可控制在1 000 元/m2左右。

4 结语

本文调查了国内电网项目常规现浇框架+填充墙防火墙及装配式防火墙的优缺点, 在研究了预制构件设计、加工工艺及施工安装等基础上, 结合湖南地区工程实际, 首次在湖南地区变电站工程中运用了装配式防火墙, 并提出了典型设计方案, 为国网湖南省电力公司全面推进装配式防火墙在变电站中的应用提供有力的技术支撑和指导。