陶粒混凝土装配式轻质围墙在变电站中的应用

伍绍慧　张春晖　廖海强

摘要：为解决湖南地区变电站围墙存在质量通病的现状，提出陶粒混凝土装配式轻质围墙方案。对围墙构件尺寸进行优化设计，利用有限元程序对围墙构件的受力状态进行模拟计算，理论推导其全寿命周期，在工厂制作样品试点，综合评估其技术经济优势，验证该技术方案的可推广价值，为装配式轻质围墙在湖南地区变电站工程中的推广应用奠定基础。

关键词：装配式；变电站；轻质围墙；陶粒混凝土；空心板 文献标识码：A

中图分类号：TU47 文章编号：1009-2374（2016）19-0116-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.056

1 概述

随着“两型一化”社会建设的逐步推进，变电站建设必须以缩短建设周期、可工业化生产制作、降低运行维护成本、延长使用寿命为发展方向。目前湖南地区输变电工程变电站围墙基本采用的是砖砌围墙，砖砌围墙存在抹灰空鼓、裂缝、表面龟裂、脱落、返碱、起毛等质量通病，且寿命周期短、施工周期长，受环境气候影响较大。

2 材料选型

目前，国内外研究和应用的轻质混凝土主要有轻骨料混凝土、泡沫混凝土和蒸压加气混凝土。本项目选用轻骨料混凝土作为墙体材料。根据对湖南地区轻骨料的工业化生产情况考察得知，在长沙周边有厂家生产页岩陶粒，页岩陶粒是一种质轻且有一定强度的轻骨料，主要是采用高温烧成的，陶粒混凝土耐酸、碱腐蚀性能优于普通混凝土。综合考虑，本课题选用陶粒混凝土作为装配式轻质围墙墙体材料，符合“两型一化”要求。

3 技术方案

3.1 陶粒混凝土配合比设计

根据陶粒混凝土耐久性规定，湖南地区工程陶粒混凝土强度等级不应低于LC25，因此本方案构件材料采用LC25或LC30陶粒混凝土。经过理论计算，得出LC25、LC30陶粒混凝土配合比。

3.2 构件尺寸设计

装配式轻质围墙由墙板、立柱、压顶、柱帽、地梁和基础六部分构件组成。其组装如图1所示。中间区段柱轴心距为3m，相应的压顶长度为2.64m；端部柱间距根据工程实际进行调整，调整后的柱轴心距取2～3m，相应的端部压顶长度亦根据调整后的柱距进行调整。

墙板：墙板尺寸为2910×600×90的LC25陶粒混凝土空心预制板，板中均匀开7个孔，孔径为55mm，孔中心距为80mm，每侧布置6根直径为4mm的冷拔钢丝。工厂统一制作，现场装配施工。

立柱：采用LC30钢筋陶粒混凝土预制柱，纵向受力钢筋为6根直径为14mm的HRB400级钢筋，箍筋为直径为6mm的HPB300级钢筋（箍筋间距为200mm），由工厂统一制作，预制柱预留槽口，用于围墙板卡入安装，围墙板与槽口的缝隙采用细石混凝土填缝处理。立柱与基础间采用插入式连接，C35细石混凝土灌浆处理。考虑混凝土保护层的最小厚度要求，立柱翼缘厚度不小于75mm，立柱阳角处均倒圆角，倒角半径为20mm。针对围墙中间区段立柱、围墙转角处立柱、围墙端部立柱分别进行设计，设计尺寸如图2所示：

柱帽：LC25预制陶粒混凝土构件，顶部阳角倒圆角，倒角半径为20mm，预留滴水线。分别对中间区段柱柱帽、转角处柱帽、端部柱柱帽进行设计，设计尺寸如图3～图5所示。

压顶：LC25预制陶粒钢筋混凝土构件，顶部阳角倒圆角，倒角半径为20mm，配置2根直径为8mm的构造钢筋，预留滴水线。中间区段压顶长度为2640mm，端部压顶长度根据工程实际进行调整。

基础采用C30混凝土独立杯口基础。

3.3 荷载取值

3.3.1 恒载：结构构件自重，取重力加速度为9.8m/s2。

3.3.2 风荷载：湖南地区50年一遇基本风压为0.3～0.40kN/m2，取最大基本风压ω0=0.04kN/m2进行

计算。

风荷载标准值：，风荷载体型系数，风振系数以及风压高度变化系数均取为1.0，基本组合分项系数取为1.4。

3.4 有限元分析

有限元模型采用分离式模型（位于协调），陶粒混凝土采用Solid65单元，Willam-warnke强度准则，多线性等向强化模型（MISO），关闭压碎开关，裂缝张开和闭合的剪力传递系数分别取0.5和1；钢筋采用link8单元，Mises屈服准则，双线性随动强化模型（BKIN）。

3.4.1 立柱有限元分析。

第一，有限元模型的建立。立柱有限元模型如图6所示，在模型的固定端施加X、Y、Z三个方向的位移约束，施加面荷载与惯性加速度。

第二，承载能力极限状态受力分析。取风荷载与重力荷载的基本组合进行极限承载能力计算，计算分析结果如图7所示。

经分析可知，陶粒混凝土压应力最大值为3.4MPa，小于陶粒混凝土的抗压强度14.3MPa，满足承载力要求。钢筋最大拉应力为54.4MPa，最大压应力为17.4MPa，均小于钢筋的屈服强度，满足承载力要求。

第三，正常使用极限状态受力分析。取风荷载与重力荷载的标准组合进行计算，计算分析结果如图8

所示。

经分析可知，立柱未开裂，挠度为1.94mm，根据规范立柱的挠度限制为[H/100]=25mm，满足挠度要求。

3.4.2 墙板有限元分析。

第一，有限元模型的建立。墙板有限元模型如图9所示，在模型的两端施加X、Y、Z三个方向的位移约束，在模型的底部施加Y向约束；加载面施加面荷载，重力通过对材料的质量密度与惯性加速度进行设置来

确定。

第二，受力分析。取风荷载与重力荷载的基本组合进行极限承载能力计算，计算分析结果如图10所示。

对图10进行分析可知，墙板最大拉应力为0.944MPa，小于抗拉强度1.27MPa；墙板最大压应力为0.87MPa，小于抗压强度11.9MPa，满足承载力要求。墙板最大挠度为320.1，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）表3.4.3，墙板的位移限制为[L/200]=15000，满足规范要求。

对裂缝分析可知，墙板在极限承载能力状态下未开裂，满足规范要求。

3.5 全寿命周期推算

采用目前具有实用价值的碳化理论数学模型对结构工作寿命进行预测，采用中国建筑科学研究院混凝土研究所龚洛书等人提出的混凝土多系数碳化数学模型。

通过计算，本文配制的装配式轻质围墙陶粒混凝土墙板的使用寿命大于60年，满足国网公司对建（构）筑物使用寿命60年的要求。

3.6 吊装方案

3.6.1 立柱吊装。立柱为工字型截面钢筋陶粒混凝土柱，单根立柱重量约为220kg。在立柱腹板竖向中心线距离柱顶1m处开一个直径为20mm的孔洞，用于吊装。

3.6.2 墙板吊装。陶粒混凝土空心板，单块墙板重量约为170kg，墙板顶设置凹槽，凹槽内预埋吊钩。

4 经济指标

本方案所研究装配式轻质围墙与传统砖砌围墙及目前国内已应用的装配式围墙经济指标对比详见表1。

粗灰砂饰面砖砌围墙一次性建设单价约为400元/延米，考虑全寿命周期内需要多次维修或重建，综合单价约为1200元/延米。

由表1中可知，本方案所设计的陶粒混凝土装配式轻质围墙经济最优。

5 结语

（1）综合考虑经济性、工期、社会效益、全寿命周期及环境气候等因素，本方案装配式轻质围墙具有在湖南地区推广应用价值。综合造价约为砖砌围墙的79.2%，约为预制钢筋混凝土墙板围墙的79.2%，约为ALC墙板装配式围墙的73.1%，约为AS墙板装配式围墙的63.3%，约为FC墙板装配式围墙的51.35%；（2）墙板采用LC25陶粒混凝土空心板，立柱采用LC30钢筋陶粒混凝土工字型截面柱，并配制出LC25、LC30陶粒混凝土配合比；（3）构件表面无需二次粉刷，重量约为普通混凝土板的50%～60%，减轻自重的同时环保；（4）利用有限元分析软件ANSYS对所设计装配式轻质围墙进行了模拟分析，验证了设计方案的合理、可靠；（5）通过全寿命周期推算，论证了所设计的装配式轻质围墙满足国网公司要求的建（构）筑物60年使用寿命周期。

参考文献

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作者简介：伍绍慧（1986-），男，湖南科鑫电力设计有限公司工程师，工学硕士，研究方向：变电站设计。

（责任编辑：小 燕）