伍紹慧　張春暉　廖海強(qiáng)

摘要：為解決湖南地區(qū)變電站圍墻存在質(zhì)量通病的現(xiàn)狀，提出陶粒混凝土裝配式輕質(zhì)圍墻方案。對圍墻構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元程序?qū)鷫?gòu)件的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，理論推導(dǎo)其全壽命周期，在工廠制作樣品試點(diǎn)，綜合評估其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，驗(yàn)證該技術(shù)方案的可推廣價(jià)值，為裝配式輕質(zhì)圍墻在湖南地區(qū)變電站工程中的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：裝配式；變電站；輕質(zhì)圍墻；陶?；炷?；空心板 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU47 文章編號：1009-2374（2016）19-0116-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.056

1 概述

隨著“兩型一化”社會建設(shè)的逐步推進(jìn)，變電站建設(shè)必須以縮短建設(shè)周期、可工業(yè)化生產(chǎn)制作、降低運(yùn)行維護(hù)成本、延長使用壽命為發(fā)展方向。目前湖南地區(qū)輸變電工程變電站圍墻基本采用的是磚砌圍墻，磚砌圍墻存在抹灰空鼓、裂縫、表面龜裂、脫落、返堿、起毛等質(zhì)量通病，且壽命周期短、施工周期長，受環(huán)境氣候影響較大。

2 材料選型

目前，國內(nèi)外研究和應(yīng)用的輕質(zhì)混凝土主要有輕骨料混凝土、泡沫混凝土和蒸壓加氣混凝土。本項(xiàng)目選用輕骨料混凝土作為墻體材料。根據(jù)對湖南地區(qū)輕骨料的工業(yè)化生產(chǎn)情況考察得知，在長沙周邊有廠家生產(chǎn)頁巖陶粒，頁巖陶粒是一種質(zhì)輕且有一定強(qiáng)度的輕骨料，主要是采用高溫?zé)傻?，陶?；炷聊退?、堿腐蝕性能優(yōu)于普通混凝土。綜合考慮，本課題選用陶?；炷磷鳛檠b配式輕質(zhì)圍墻墻體材料，符合“兩型一化”要求。

3 技術(shù)方案

3.1 陶?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)

根據(jù)陶粒混凝土耐久性規(guī)定，湖南地區(qū)工程陶?；炷翉?qiáng)度等級不應(yīng)低于LC25，因此本方案構(gòu)件材料采用LC25或LC30陶?；炷?。經(jīng)過理論計(jì)算，得出LC25、LC30陶?；炷僚浜媳?。

3.2 構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)

裝配式輕質(zhì)圍墻由墻板、立柱、壓頂、柱帽、地梁和基礎(chǔ)六部分構(gòu)件組成。其組裝如圖1所示。中間區(qū)段柱軸心距為3m，相應(yīng)的壓頂長度為2.64m；端部柱間距根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的柱軸心距取2～3m，相應(yīng)的端部壓頂長度亦根據(jù)調(diào)整后的柱距進(jìn)行調(diào)整。

墻板：墻板尺寸為2910×600×90的LC25陶粒混凝土空心預(yù)制板，板中均勻開7個(gè)孔，孔徑為55mm，孔中心距為80mm，每側(cè)布置6根直徑為4mm的冷拔鋼絲。工廠統(tǒng)一制作，現(xiàn)場裝配施工。

立柱：采用LC30鋼筋陶粒混凝土預(yù)制柱，縱向受力鋼筋為6根直徑為14mm的HRB400級鋼筋，箍筋為直徑為6mm的HPB300級鋼筋（箍筋間距為200mm），由工廠統(tǒng)一制作，預(yù)制柱預(yù)留槽口，用于圍墻板卡入安裝，圍墻板與槽口的縫隙采用細(xì)石混凝土填縫處理。立柱與基礎(chǔ)間采用插入式連接，C35細(xì)石混凝土灌漿處理。考慮混凝土保護(hù)層的最小厚度要求，立柱翼緣厚度不小于75mm，立柱陽角處均倒圓角，倒角半徑為20mm。針對圍墻中間區(qū)段立柱、圍墻轉(zhuǎn)角處立柱、圍墻端部立柱分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示：

柱帽：LC25預(yù)制陶?；炷翗?gòu)件，頂部陽角倒圓角，倒角半徑為20mm，預(yù)留滴水線。分別對中間區(qū)段柱柱帽、轉(zhuǎn)角處柱帽、端部柱柱帽進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)尺寸如圖3～圖5所示。

壓頂：LC25預(yù)制陶粒鋼筋混凝土構(gòu)件，頂部陽角倒圓角，倒角半徑為20mm，配置2根直徑為8mm的構(gòu)造鋼筋，預(yù)留滴水線。中間區(qū)段壓頂長度為2640mm，端部壓頂長度根據(jù)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整。

基礎(chǔ)采用C30混凝土獨(dú)立杯口基礎(chǔ)。

3.3 荷載取值

3.3.1 恒載：結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重，取重力加速度為9.8m/s2。

3.3.2 風(fēng)荷載：湖南地區(qū)50年一遇基本風(fēng)壓為0.3～0.40kN/m2，取最大基本風(fēng)壓ω0=0.04kN/m2進(jìn)行

計(jì)算。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：，風(fēng)荷載體型系數(shù)，風(fēng)振系數(shù)以及風(fēng)壓高度變化系數(shù)均取為1.0，基本組合分項(xiàng)系數(shù)取為1.4。

3.4 有限元分析

有限元模型采用分離式模型（位于協(xié)調(diào)），陶?；炷敛捎肧olid65單元，Willam-warnke強(qiáng)度準(zhǔn)則，多線性等向強(qiáng)化模型（MISO），關(guān)閉壓碎開關(guān)，裂縫張開和閉合的剪力傳遞系數(shù)分別取0.5和1；鋼筋采用link8單元，Mises屈服準(zhǔn)則，雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）。

3.4.1 立柱有限元分析。

第一，有限元模型的建立。立柱有限元模型如圖6所示，在模型的固定端施加X、Y、Z三個(gè)方向的位移約束，施加面荷載與慣性加速度。

第二，承載能力極限狀態(tài)受力分析。取風(fēng)荷載與重力荷載的基本組合進(jìn)行極限承載能力計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)分析可知，陶?；炷翂簯?yīng)力最大值為3.4MPa，小于陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度14.3MPa，滿足承載力要求。鋼筋最大拉應(yīng)力為54.4MPa，最大壓應(yīng)力為17.4MPa，均小于鋼筋的屈服強(qiáng)度，滿足承載力要求。

第三，正常使用極限狀態(tài)受力分析。取風(fēng)荷載與重力荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果如圖8

所示。

經(jīng)分析可知，立柱未開裂，撓度為1.94mm，根據(jù)規(guī)范立柱的撓度限制為[H/100]=25mm，滿足撓度要求。

3.4.2 墻板有限元分析。

第一，有限元模型的建立。墻板有限元模型如圖9所示，在模型的兩端施加X、Y、Z三個(gè)方向的位移約束，在模型的底部施加Y向約束；加載面施加面荷載，重力通過對材料的質(zhì)量密度與慣性加速度進(jìn)行設(shè)置來

確定。

第二，受力分析。取風(fēng)荷載與重力荷載的基本組合進(jìn)行極限承載能力計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)果如圖10所示。

對圖10進(jìn)行分析可知，墻板最大拉應(yīng)力為0.944MPa，小于抗拉強(qiáng)度1.27MPa；墻板最大壓應(yīng)力為0.87MPa，小于抗壓強(qiáng)度11.9MPa，滿足承載力要求。墻板最大撓度為320.1，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）表3.4.3，墻板的位移限制為[L/200]=15000，滿足規(guī)范要求。

對裂縫分析可知，墻板在極限承載能力狀態(tài)下未開裂，滿足規(guī)范要求。

3.5 全壽命周期推算

采用目前具有實(shí)用價(jià)值的碳化理論數(shù)學(xué)模型對結(jié)構(gòu)工作壽命進(jìn)行預(yù)測，采用中國建筑科學(xué)研究院混凝土研究所龔洛書等人提出的混凝土多系數(shù)碳化數(shù)學(xué)模型。

通過計(jì)算，本文配制的裝配式輕質(zhì)圍墻陶?；炷翂Π宓氖褂脡勖笥?0年，滿足國網(wǎng)公司對建（構(gòu)）筑物使用壽命60年的要求。

3.6 吊裝方案

3.6.1 立柱吊裝。立柱為工字型截面鋼筋陶粒混凝土柱，單根立柱重量約為220kg。在立柱腹板豎向中心線距離柱頂1m處開一個(gè)直徑為20mm的孔洞，用于吊裝。

3.6.2 墻板吊裝。陶粒混凝土空心板，單塊墻板重量約為170kg，墻板頂設(shè)置凹槽，凹槽內(nèi)預(yù)埋吊鉤。

4 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本方案所研究裝配式輕質(zhì)圍墻與傳統(tǒng)磚砌圍墻及目前國內(nèi)已應(yīng)用的裝配式圍墻經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比詳見表1。

粗灰砂飾面磚砌圍墻一次性建設(shè)單價(jià)約為400元/延米，考慮全壽命周期內(nèi)需要多次維修或重建，綜合單價(jià)約為1200元/延米。

由表1中可知，本方案所設(shè)計(jì)的陶?；炷裂b配式輕質(zhì)圍墻經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。

5 結(jié)語

（1）綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、工期、社會效益、全壽命周期及環(huán)境氣候等因素，本方案裝配式輕質(zhì)圍墻具有在湖南地區(qū)推廣應(yīng)用價(jià)值。綜合造價(jià)約為磚砌圍墻的79.2%，約為預(yù)制鋼筋混凝土墻板圍墻的79.2%，約為ALC墻板裝配式圍墻的73.1%，約為AS墻板裝配式圍墻的63.3%，約為FC墻板裝配式圍墻的51.35%；（2）墻板采用LC25陶?；炷量招陌澹⒅捎肔C30鋼筋陶?；炷凉ぷ中徒孛嬷?，并配制出LC25、LC30陶?；炷僚浜媳龋唬?）構(gòu)件表面無需二次粉刷，重量約為普通混凝土板的50%～60%，減輕自重的同時(shí)環(huán)保；（4）利用有限元分析軟件ANSYS對所設(shè)計(jì)裝配式輕質(zhì)圍墻進(jìn)行了模擬分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理、可靠；（5）通過全壽命周期推算，論證了所設(shè)計(jì)的裝配式輕質(zhì)圍墻滿足國網(wǎng)公司要求的建（構(gòu)）筑物60年使用壽命周期。

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作者簡介：伍紹慧（1986-），男，湖南科鑫電力設(shè)計(jì)有限公司工程師，工學(xué)碩士，研究方向：變電站設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：小 燕）