黃潤康 張 平 王漢文 徐周云 李兵兵

1. 中國石油天然氣管道工程有限公司, 河北 廊坊 065000;2. 中油國際管道有限公司, 北京 102200

0 前言

中國—中亞某天然氣管道新項目(以下簡稱中亞新項目)是經(jīng)中亞地區(qū)向中國輸送天然氣的一條新的能源通道,而在中亞地區(qū)建設(shè)油氣長輸管道站場卻存在諸多限制因素,如基礎(chǔ)條件差、工程進度慢、工程管控弱等[1]。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑具有輕質(zhì)、耐震、工業(yè)化程度高、施工周期短、建造過程低污染等優(yōu)勢[2],具備解決中亞地區(qū)油氣長輸管道站場建筑建設(shè)問題的條件,有必要對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在中亞地區(qū)的工程應(yīng)用前景開展進一步分析。

1 中亞地區(qū)工程建設(shè)需求

中亞新項目建設(shè)難度世界罕見,管線壓力高、輸量大,線路地形地貌復(fù)雜多樣,其中塔吉克斯坦段約60%管道穿越高烈度地震山區(qū)。沿線氣候條件惡劣、社會依托薄弱、交通設(shè)施限制、建筑減排降碳要求高等因素加大了施工難度。

1.1 施工人員

中亞地區(qū)建筑多以砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)為主,偶有框架結(jié)構(gòu)和土坯房,當(dāng)?shù)厥┕に捷^低。而油氣長輸管道站場建筑的主要形式為框架結(jié)構(gòu),若采用現(xiàn)場澆筑方式,需雇傭大量當(dāng)?shù)厥┕と藛T,施工周期較長,工程質(zhì)量和建設(shè)成本難以控制。因此,在中亞地區(qū)建筑施工應(yīng)盡量減少施工人員需求,提高機械化效率,縮減整體施工周期[3]。

1.2 抗震性能

中亞新項目途經(jīng)多個地質(zhì)斷裂帶,多座油氣長輸管道站場坐落于抗震設(shè)防烈度為9度的地區(qū),沿線地震動速度峰值最高達到0.6 g,在高地震烈度區(qū)域建設(shè)油氣長輸管道站場,對站內(nèi)建筑的抗震性能有很高要求[4]。

1.3 碳減排

在全球碳減排背景下,建設(shè)方對海外管道工程的碳排放量也提出了更高要求。由于中亞地區(qū)暫無規(guī)范對建筑的碳減排提出要求,油氣長輸管道站場建筑需滿足GB 55015—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》[5](以下簡稱GB 55015—2021)中的建筑節(jié)能減排標準要求。油氣運輸屬于傳統(tǒng)高能耗行業(yè),長輸管道工程建設(shè)過程中難免會產(chǎn)生大量碳排放,因此在油氣長輸管道站場建設(shè)時應(yīng)采用更加綠色環(huán)保的施工方法和結(jié)構(gòu)形式,有利于推動整體工程碳減排目標的實現(xiàn)[6]。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)勢

裝配式建筑按照建筑結(jié)構(gòu)體系可分為預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)[7],與傳統(tǒng)現(xiàn)場澆筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)相比,裝配式鋼結(jié)構(gòu)在使用期滿以后材質(zhì)可重復(fù)利用,減少建筑垃圾,更契合低碳環(huán)保的理念。

2.1 抗震性能優(yōu)異

鋼材具有優(yōu)秀的延展性和抗拉能力,因此裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的綜合抗震性能比其他建筑綜合抗震性能更強。研究表明,采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)的中高建筑自重約為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑自重的2/3,建筑承受的地震作用相應(yīng)減少,地面上單位面積的負荷也可減少25%以上。在強震區(qū)的大量工程實踐表明,建筑減重50%,則可將抗震設(shè)防烈度降低1度考慮。

2.1.1 強度高且自重輕

在材料性能方面,鋼材強度約為混凝土強度的8倍,而重量僅為其3.2倍,同等重量的鋼材承載能力遠高于混凝土承載能力。而從利用方式看,鋼材的可塑性更好,鋼構(gòu)件截面設(shè)計可以實現(xiàn)深度優(yōu)化,目前常見的鋼構(gòu)件形式有空腹式、格構(gòu)式等,在進一步提高構(gòu)件承載能力的同時減輕了建筑總重。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016版)[8]中5.2.1規(guī)定,結(jié)構(gòu)的水平地震作用標準值應(yīng)按式(1)確定:

F=α1G

(1)

2.1.2 彈塑性

材料的彈塑性主要以延伸率來衡量,鋼材的延伸率通常>20%,而普通混凝土延伸率<0.05%,且鋼材材質(zhì)更為均勻可控,可以作為理想的彈塑性材料假定。對比鋼材和混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知,鋼材的彈塑性大大優(yōu)于混凝土彈塑性,在地震中裝配式鋼結(jié)構(gòu)的變形能力可以削弱地震對結(jié)構(gòu)的影響,從而弱化地震對建筑的危害。

2.1.3 耗能性能

材料的耗能性能可以通過施加循環(huán)荷載進行測試,其值約為所受動力和塑性形變的乘積,用以表示材料受力變形時的能量損耗。材料在循環(huán)加載過程中產(chǎn)生的應(yīng)力—應(yīng)變曲線稱為滯回曲線,可用于模擬測試材料在地震作用下的恢復(fù)能力,是評價其抗震性能的重要參考。Q460D鋼材循環(huán)加載滯回曲線見圖2。

圖2 Q460D鋼材循環(huán)加載滯回曲線圖

由圖2可知,在多次加載后,鋼材的變形能力越來越弱,剛度、強度也逐漸退化,但每次循環(huán)加載的耗能情況類似,且最終曲線仍然飽滿,體現(xiàn)了鋼材具備出色的彈性變形能力和耗能性能。以鋼材為主材的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在地震中即使出現(xiàn)形變?nèi)阅鼙ＷC結(jié)構(gòu)的整體安全性,較其它結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能更優(yōu)秀。

2.2 施工周期短

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的主體構(gòu)件和外部圍護結(jié)構(gòu)均可在專業(yè)的裝配式構(gòu)件工場成批制造,只需運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝即可,沒有了現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的支模、澆筑、養(yǎng)護等流程,現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)減少,建設(shè)進度顯著加快[10-11]。

一般的住宅建筑若采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑可縮短1/2～2/3的建造時間,而經(jīng)過深化設(shè)計,水、電、暖、通等專業(yè)的大多數(shù)套管孔洞在構(gòu)件工場即可預(yù)制完成,減少現(xiàn)場后續(xù)安裝,進一步縮減施工周期。根據(jù)實際工程經(jīng)驗,1支10人施工隊伍只需10 d即可完成2 000 m2的住宅施工,而建筑層數(shù)越多,施工周期縮減也更明顯,40層的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅施工周期可縮短9～10個月。

油氣長輸管道站場建筑以低層為主,且建筑用途與民用建筑用途有所不同。為進一步驗證站場裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的實際施工效果,以國內(nèi)某長輸管道工程的2座站場建筑為例進行對比。2座站場建筑分別采用了現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和裝配式鋼框架結(jié)構(gòu),對2種結(jié)構(gòu)建筑的施工工序及施工周期進行系統(tǒng)性比較,結(jié)果見表1。

表1 現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)施工工序及施工周期對比表

對比發(fā)現(xiàn),2種結(jié)構(gòu)建筑的施工流程與施工周期相差較大。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑主體施工以鋼構(gòu)件和樓板構(gòu)件安裝方式為主,無需現(xiàn)場澆筑,較現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑施工減少多項流程,且采用預(yù)制墻板可提前布設(shè)各專業(yè)預(yù)埋管線,無需后期開槽布線,可節(jié)省大量施工周期和人力、機械資源,最終2種結(jié)構(gòu)的建筑所用施工周期分別為143 d和78 d,裝配式鋼結(jié)構(gòu)較現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工周期縮短了65 d,減少了約45.5%,極大提高了施工效率。

2.3 環(huán)保減排

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中主體結(jié)構(gòu)材料為鋼材,圍護結(jié)構(gòu)多為蒸壓輕質(zhì)混凝土板(ALC條板)和保溫裝飾一體板,材料為水泥制品和保溫裝飾材料,沒有使用燒結(jié)磚,減少了對土地的破壞。而且裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工過程中較少用到混凝土澆筑,多以構(gòu)件安裝為主,濕作業(yè)少,避免了建材運輸過程中的粉塵污染及現(xiàn)場澆筑時的污水和噪音污染,減少了對周圍環(huán)境的影響。另一方面,在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑到達使用年限拆除時,作為建筑主材的鋼材可以實現(xiàn)高效回收利用,減少了建筑垃圾,有利于可持續(xù)發(fā)展[12]。

2.3.1 節(jié)省建材

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑主材為鋼材,在減輕建筑自重的同時減少了混凝土材料的使用,節(jié)省了大量水泥和骨料,也避免了這些建材在生產(chǎn)、運輸過程中的碳排放,符合國家的“雙碳”戰(zhàn)略。根據(jù)測算以及實際工程反饋,裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼材重新利用率可達到70%以上,實際使用過程中損耗較少,回收重鑄的鋼材也可作為后續(xù)建筑的建材使用。

2.3.2 節(jié)省水資源

水資源是工程建設(shè)的前提條件,傳統(tǒng)建筑施工對水資源有巨大的依賴性,尤其是現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工,在澆筑階段需要消耗大量水資源。這種施工方法不僅對水的利用率不高,存在大量浪費,還會產(chǎn)生建筑污水,影響周邊環(huán)境。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的現(xiàn)澆混凝土用量很少,在減少澆筑、沖洗用水的同時,也減少了施工人員的生活用水,工程用水量較傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑工程用水量減少約1/4。

2.3.3 節(jié)省電力

電力資源對建筑施工來說同樣必不可少,用電量往往與施工周期長短成正比。采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑不僅減少了現(xiàn)場作業(yè)量和施工人員數(shù)量,還可縮減整體建設(shè)施工周期,綜合節(jié)電量達到了20%。

3 工程應(yīng)用前景

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在社會依托差的油氣長輸管道站場進行應(yīng)用優(yōu)勢顯著,可極大縮短現(xiàn)場施工周期。但在中亞地區(qū)直接大面積進行裝配式鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用也將面臨眾多問題,如中亞地區(qū)建筑工業(yè)化發(fā)展程度相對較低,建筑產(chǎn)品鏈不完善,建材匱乏,主材機配套的部品、部件需要從國內(nèi)采購,存在清關(guān)和匯率變化等風(fēng)險;裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震能力較為突出,但在高烈度地區(qū)應(yīng)用,相應(yīng)的配套圖集和節(jié)點構(gòu)造仍難以滿足工程建設(shè)的要求,需采用減隔震措施;裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在海外項目的施工周期及節(jié)能減排效果能否達到預(yù)期目標也需要進一步驗證。這些問題能否有效解決是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是否能夠在中亞地區(qū)順利應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.1 建材供應(yīng)

當(dāng)前中國西北地區(qū)大力推動裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑和建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,各種裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑超低能耗示范性建筑、綠色裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅已建成使用,對西北地區(qū)特殊的氣候環(huán)境和高抗震烈度區(qū)域特點適應(yīng)性良好[13-14]。中國西北地區(qū)與中亞地區(qū)地理環(huán)境、氣候條件較為相似,裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在西北地區(qū)的建設(shè)使用經(jīng)驗對中亞地區(qū)工程建設(shè)有較大的借鑒價值。且西北地區(qū)已建成6個國家級裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地,相應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)和廠家可提供完備的裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計施工方案,同時與中亞地區(qū)有著豐富的貿(mào)易往來,運輸通道暢通,可保證建材按時抵達建設(shè)場地[15]。

3.2 抗震設(shè)計

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計由來已久,傳統(tǒng)的思路通常是從提升建筑結(jié)構(gòu)的剛度或延性實現(xiàn)抗震目的:即通過提升構(gòu)件的截面尺寸來提高剛度,減小地震中的結(jié)構(gòu)變形;通過優(yōu)化節(jié)點設(shè)計增強結(jié)構(gòu)的延性,使鋼結(jié)構(gòu)在地震荷載下發(fā)生循環(huán)非彈性變形和能保持穩(wěn)定的塑性行為,通過適度變形來吸收、消耗地震作用。而另一種思路則是鋼結(jié)構(gòu)的減隔震設(shè)計,提高部分非承重構(gòu)件的變形能力或在構(gòu)件連接處設(shè)置消能裝置消耗地震能量[16]。通過對減隔震聯(lián)用結(jié)構(gòu)隔震效果的具體分析,采用減隔震聯(lián)用隔震技術(shù)后,可對鋼結(jié)構(gòu)建筑進行降低1度設(shè)防。且隔震結(jié)構(gòu)在地震下的反應(yīng)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1/4～1/12[17],有效減輕了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件因振動和翻倒造成的損害,極大提升了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能。

3.3 一體化建筑方案綜合減排

目前中國油氣長輸管道站場建筑較為成熟的裝配式鋼結(jié)構(gòu)一體化建筑總體方案為:結(jié)構(gòu)體系(裝配式鋼結(jié)構(gòu)框架)+外圍護系統(tǒng)(ALC條板+保溫裝飾一體板)+輕質(zhì)隔墻(非砌筑內(nèi)隔墻+裝配式內(nèi)裝修)+鋼筋桁架樓承板+鋼樓梯+管線分離+集成廚衛(wèi)系統(tǒng)[18-20],在提升施工效率的同時大幅節(jié)省了現(xiàn)場資源,降低了建設(shè)施工期間的碳排放,節(jié)能減排效果優(yōu)于GB 55015—2021對新建公共建筑的相關(guān)要求。在中亞地區(qū)采用裝配式鋼結(jié)構(gòu),大多數(shù)構(gòu)件來自中國,增加了運輸過程的碳排放,但綜合采用節(jié)能減排技術(shù)措施后,可有效降低碳排放。

4 結(jié)論

中亞新項目天然氣管道工程途經(jīng)中亞多國,到達中國境內(nèi)。管道站場分布地域廣,地質(zhì)復(fù)雜多樣,穿越戈壁荒漠,高山溝壑。工程的社會依托差、環(huán)境敏感點多、濕作業(yè)建筑垃圾排放多、施工質(zhì)量和施工周期控制難度大。而裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑具有輕質(zhì)耐震、建設(shè)施工周期短、施工污染小等綜合優(yōu)勢,可以適應(yīng)中亞地區(qū)油氣長輸管道站場建筑的建設(shè)需求,并有效提高建筑抗震性能、降低施工難度、加快施工進度、節(jié)能減排,裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在中亞地區(qū)或其它海外油氣長輸管道站場建設(shè)項目中具有廣闊的應(yīng)用前景。