趙巍平，張曉彬，沈 鋒，溫 欣

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術學院，河北 唐山 063299；2.河北銘嘉工程設計有限公司，河北 唐山 063000）

伴隨著我國經(jīng)濟進入快速發(fā)展階段，引起電力需求量的迅速增長。傳統(tǒng)變電站結(jié)構(gòu)幾乎全部采用現(xiàn)澆混凝土，然而隨著我國經(jīng)濟由粗放型向精細型的轉(zhuǎn)換，節(jié)約型土地、高質(zhì)量型工程、安全文明施工的意識日益加強，傳統(tǒng)模式不能滿足資源節(jié)約型與環(huán)境友好型的社會發(fā)展要求[1-2]。

國家電網(wǎng)近年來大力發(fā)展智能變電站，智能變電站土建核心是裝配式。變電站結(jié)構(gòu)型式較為固定，對結(jié)構(gòu)型式要求較低、工期較短、居民敏感度較高，與裝配式建筑標準化、工期短、對周邊影響較小等優(yōu)點相匹配。隨著政府對裝配式建筑的大力推廣，裝配式變電站的發(fā)展也勢必進入一個全新階段[3]。

1 預制輕骨料型鋼混凝土的應用研究

1.1 輕骨料混凝土應用

美國首次以頁巖陶粒為骨料制作輕骨料混凝土，其強度滿足工程要求，并大量在橋梁和船舶制造等工程上應用。

挪威在輕骨料混凝土方面的應用處于歐洲領先地位，其主要應用在橋梁方向，其中跨度最長的橋是Stolma橋和Raftsundet橋。德國威士巴登·斯切斯坦港口的懸臂式輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)是世界上第一座人行橋。日本雖然在輕骨料方面的研究起步較晚，但在工業(yè)建筑、民用建筑、道路和海洋工程等方面應用廣泛。

我國建國初期缺少輕骨料生產(chǎn)經(jīng)驗與技術，其抗壓強度低，不能滿足建筑的要求，只能在非承重結(jié)構(gòu)上應用。20世紀90年代后，我國輕骨料混凝土研究迅速發(fā)展，高強度輕骨料混凝土廣泛應用于橋梁等工程[4-5]。

1.2 型鋼混凝土的應用

日本是最早開始應用型鋼混凝土的國家，其設計建造了世界第一座主體為型鋼混凝土的建筑結(jié)構(gòu)（東京海上大樓）。歐美國家起初使用目的主要是為了保護型鋼，防止型鋼暴露在空氣中發(fā)生損壞。隨后美國建造了第一棟主體為型鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的國際大廈。我國型鋼混凝土在高層或超高層建筑上的應用雖起步較晚，但發(fā)展迅速。

1.3 預制輕骨料型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應用

國內(nèi)在輕骨料型鋼混凝土方面的研究比較成熟，雖然形成了一些輕骨料型鋼混凝土相關的規(guī)范，但還未形成完整體系的規(guī)范，給工程技術人員帶來了極大的困難。

輕骨料型鋼混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了型鋼混凝土與輕骨料混凝土的優(yōu)點，為其發(fā)展應用奠定了基礎，它是一種新型結(jié)構(gòu)型式。由于抗震性好、承載力高、自重小、保溫隔熱性好、經(jīng)濟性等優(yōu)勢，使其具有廣闊的發(fā)展前景[6]。

1.4 輕骨料型鋼混凝土柱理論研究

1.4.1 軸心受壓性能

輕骨料型鋼混凝土柱上施加軸心壓力，隨著軸心壓力施加，混凝土端部開始出現(xiàn)微小縱向裂縫，同時型鋼與鋼筋也達到屈服，隨著軸心壓力進一步施加，軸向變形開始進一步加大，縱向裂縫迅速發(fā)展，混凝土達到極限承載力，此時混凝土喪失承載能力。混凝土出現(xiàn)鼓脹和剝離現(xiàn)象時，型鋼還未出現(xiàn)局部屈曲，由此得出混凝土與型鋼的本構(gòu)模型大體上保持協(xié)調(diào)一致。

1.4.2 偏心受壓性能

經(jīng)過大量試驗證明，型鋼混凝土柱的偏心受壓破壞與普通鋼筋混凝土柱基本相同，主要表現(xiàn)為大偏心和小偏心受壓。

與普通鋼筋混凝土柱不同，型鋼混凝土柱的破壞形態(tài)是保護層的劈裂更為明顯，這就使混凝土在喪失承載力時荷載下降很快，但由于核心區(qū)域的混凝土受到型鋼與箍筋的約束，此時型鋼混凝土仍具有一定的承載力。

1.4.3 抗震性能

型鋼混凝土柱的抗震性能大大優(yōu)于普通鋼筋混凝土柱。

1.4.4 受剪性能

型鋼混凝土柱斜截面主要有粘結(jié)破壞、彎剪破壞與斜壓破壞三種破壞形態(tài)[7]。

1.5 預制輕骨料型鋼混凝土性能優(yōu)勢分析

預制輕骨料型鋼混凝土柱同時具備型鋼抗拉強度高和混凝土抗壓強度高的優(yōu)點，能夠共同發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，使整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的強度與延展性，并且在剛度與抗壓能力方面具有較好的表現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 工廠完成的輕骨料型鋼混凝土的十字鋼骨柱

與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比較，其具有以下優(yōu)勢：整體工作、截面尺寸小、構(gòu)件延性好、施工工期短。與鋼結(jié)構(gòu)相比較，其具有以下優(yōu)勢：節(jié)約材料、耐火性好、綜合性能較好、兼作模板支架。

2 鋼筋桁架樓承板的應用研究

鋼筋桁架樓承板在裝配式建筑領域廣泛應用，其不僅剛度高、整體性好、防火性好、施工速度快、受力合理，還可實現(xiàn)標準化、工業(yè)化、模塊化的快速建設模式，從而有效地提升樓板質(zhì)量、施工速度、降低成本，符合國家的發(fā)展要求，對推動我國建筑行業(yè)建造模式改革起到積極影響[8]。

2.1 鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)構(gòu)成

鋼筋桁架樓承板作為裝配式結(jié)構(gòu)的重要組成部分，由支座橫筋和豎筋將上弦鋼筋、下弦鋼筋和腹桿鋼筋連接形成空間桁架，鍍鋅壓型鋼板與其焊接連接，在其上澆筑混凝土，形成鋼筋桁架樓承板，如圖2所示。

圖2 鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)示意圖

鋼筋桁架在施工階段保證了樓板剛度，在使用階段代替了樓板受力鋼筋，連接方式由綁扎連接轉(zhuǎn)變?yōu)楹附舆B接，可靠性大大提升，鋼筋桁架形成共同作用的空間結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整鋼筋直徑與桁架高度，從而滿足不同跨度和荷載需求，標準化、工業(yè)化、模塊化的建設模式可大大提升建筑精度和質(zhì)量。

鍍鋅鋼板在施工階段可作為樓板的模板，在使用階段不受力形成組合型樓板。

2.2 鋼筋桁架樓承板性能優(yōu)勢

鋼筋桁架樓承板具有以下優(yōu)勢：1）經(jīng)濟性。受力合理，充分利用材料性能，節(jié)約建筑材料。2）便捷性。有效地減少60%～70%的工作量，大大提升施工效率。3）安全性。良好的力學性能和抗裂性。4）可靠性。工廠機械化加工，精度高。

3 預制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點研究

節(jié)點是結(jié)構(gòu)桿件交匯與連接區(qū)域，是傳力的核心區(qū)域，是結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。梁與柱通過節(jié)點傳遞荷載，處在彎、壓、剪復合應力狀態(tài)，受力復雜。因此研究節(jié)點的受力與破壞機理，明確節(jié)點的傳力顯得十分重要的，是保證結(jié)構(gòu)安全的前提[9]。

3.1 型鋼混凝土柱與鋼梁的連接

輕骨料型鋼混凝土梁柱連接采用預留短梁的拼接方式，實現(xiàn)現(xiàn)場的完全干作業(yè)，盡量減少施焊，短梁采用完全螺栓連接，梁柱連接在工廠直接焊接連接，如圖3所示的裝配式鋼梁與輕骨料型鋼混凝土柱連接節(jié)點，然后梁與梁采用螺栓連接，該節(jié)點連接方式的優(yōu)點是便于實現(xiàn)工廠化預制，現(xiàn)場裝配化的特點，可大大加快施工進度[10]，如圖4所示。

圖3 輕骨料型鋼混凝土柱與鋼梁節(jié)點

圖4 鋼梁與短梁的全螺栓連接節(jié)點

3.2 柱與基礎的連接

通過預埋鋼筋與直螺紋套筒將基礎與型鋼混凝土柱連接，使構(gòu)件具有較大的側(cè)向剛度與穩(wěn)定性。通過機械連接將型鋼混凝土柱與基礎制成狗骨式柱腳，有機地組成一個整體，如圖5所示[11]。

圖5 十字型輕骨料型鋼混凝土柱與樁承臺的連接

3.3 圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的連接

3.3.1 鋼梁與墻板連接節(jié)點

鋼梁與水泥基擠塑空心板通過點焊連接固定U型卡件，卡件間距≤600 mm，并且每塊板的固定U型卡件數(shù)量≥2個。鋼梁與板之間全長放置PE棒，并用彈性嵌縫材料填充，如圖6所示。

圖6 鋼梁與墻板連接節(jié)點

3.3.2 型鋼混凝土柱與墻板連接節(jié)點

型鋼混凝土柱與水泥基擠塑空心板通過點焊連接固定U型卡件，最下面卡件距離地面≤600 mm，U型卡件間距≤1000 mm。型鋼混凝土柱與板之間全高放置PE棒，并用彈性嵌縫材料填充，如圖7所示。

圖7 型鋼混凝土柱與墻板連接節(jié)點

3.3.3 鋼筋桁架樓承板與墻板連接節(jié)點

鋼筋桁架樓承板與水泥基擠塑空心板通過螺栓連接方式固定U型卡件，每塊墻板固定U型卡件數(shù)量≥2個，如圖8所示。

圖8 鋼筋桁架樓承板與墻板連接節(jié)點

3.4 鋼筋桁架樓承板與主體結(jié)構(gòu)的連接

鋼筋桁架樓承板與鋼梁端部通過熔透點焊連接，中間通過栓釘連接與鋼梁穿透熔焊，通過專用夾緊鉗將樓承板咬合壓孔連接，端部通過電焊連接將邊模板與鋼筋桁架樓承板或鋼梁固定，如圖9所示。

圖9 支座連接圖

鋼筋桁架樓承板通過膨脹螺栓將角鋼固定在剪力墻上，如圖10所示。

圖10 樓板與剪力墻連接

4 基于預制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的市場應用分析

從目前來看，我國裝配式建筑的市場仍處于萌芽階段，伴隨著國家與行業(yè)的發(fā)展目標與政策方針相繼出臺，以及建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級的迫切需求，我國多個省市相繼出臺了相關建筑產(chǎn)業(yè)的扶持發(fā)展政策，加快了試點示范工程和產(chǎn)業(yè)化基地建設進程。隨著技術和管理水平的提升，裝配式建筑必將擁有廣闊的市場與發(fā)展空間。

裝配式變電站在建設過程中，既能有效地降低資源消耗，減少占地與建筑面積，進而降低成本，還能有效地提升工程收益，同時減少臨時用場與現(xiàn)場濕作業(yè)，從而保護了生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

綜合研究分析，得出以下結(jié)論。

1）“預制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系”新技術適用于變電站快速發(fā)展和建設要求；2）預制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系總體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的三性（功能性、安全性、經(jīng)濟性）和四化（標準化、工廠化、裝配化、產(chǎn)業(yè)化），符合國家對發(fā)展裝配式建筑出臺的一系列政策與方針的規(guī)定；3）符合2021年《政府工作報告》明確強調(diào)“要積極推廣綠色建筑和建材，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑”的規(guī)定；4）該技術具備在典型變電站進行試點建設，進而全國范圍內(nèi)進行推廣；5）預制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)變電站能夠減少環(huán)境影響、縮短工期、節(jié)省造價、安全可靠，響應國家對建筑產(chǎn)業(yè)化的總體要求。

5.2 建議

為建設堅強電網(wǎng)，保證地區(qū)的及時、可靠穩(wěn)定供電，電力建設、運行管理企業(yè)面臨著極大的挑戰(zhàn)。裝配式結(jié)構(gòu)的研究和應用在我國方興未艾，尚有許多技術問題有待解決，當前，應該著重做好以下工作。

1）樓面與框架梁、柱的節(jié)點連接設計問題、樓面承擔重荷載及振動荷載能力的問題以及結(jié)構(gòu)抗震性能等問題，目前針對裝配式變電站的研究甚少，有待進一步深入研究。2）加強技術管理人員的培養(yǎng)，注重對新技術、新材料的探索，貫徹好“兩型一化”的變電站建設思路。3）開展裝配式變電站施工技術的總結(jié)工作。按照各類規(guī)范要求落實此項工作。4）探索性工作第一，結(jié)合工程實際，根據(jù)國家政策和國家電網(wǎng)的相關政策思路，加大科技投入，逐步建立裝配式配送式變電站典型建設資料庫，開展裝配式變電站信息收集和統(tǒng)計分析，這將是一個長期的過程第二，裝配式設備、模塊化技術研究。