两型一化变电站建筑中轻型钢结构的围护体系(电力建设).doc

两型一化变电站建筑中轻型钢结构的围护系统 周元强王尉（江苏省电力设计院，江苏，南京，211100）摘 要：讨论轻型钢结构几种常用围护系统在新型变电站建筑物中的应用可行性，分析比较蒸压轻质混凝土（ALC）板材、压型钢板夹芯板以及现场复合型板材的建筑物理特性和耐火性能，根据变电站建筑物的特点，优先选用ALC板材围护系统配合轻型钢结构的装配式结构体系。关键词：围护系统；轻型钢结构；变电站 中图分类号：文献标识码：文章编号：Envelope System of Lightweight Steel Structurein Transformer Substation BuildingsZHOU Yuan Qiang,WANG Wei (Jiang Su Electric Power Design Institute, Nanjing 211100, China)AbstractThe feasibility of envelope system in lightweight steel structure applied to new-style transformer substation buildings was discussed, architectural physical characteristics and fire-resistant performance of autoclaved lightweight concrete (ALC)slab, cold formed steel sandwich panel and in-site multiple panel were contrasted and analyzed, according to the specialty of building in transformer substation, the assembled structural system composed by lightweight steel structure and ALC slab is recommended.Key wordsenvelope system; lightweight steel structure; transformer substation1引言作者简介：周元强（1981）男硕士从事变电土建设计工作。两型一化变电站是我国建设“资源节约型、环境友好型、工业化”和谐社会的要求在电网工程中的具体体现。与以往变电站建筑所采用的混凝土框架结构、砖混结构不同，轻型钢结构更能体现两型一化的建设要求。所谓轻型钢结构，是指以轻型冷弯薄壁型钢、轻型焊接和高频焊接型钢、轻型热轧型钢、薄钢板、薄钢管及以上各构件拼接、焊接而成的组合构件等为主要受力构件，大量采用轻质围护隔离材料的单层和多层建筑1。轻型钢结构具有以下综合经济技术特点： 轻质高强，可减轻建筑结构自重，提高房屋的抗震性能，并大大降低基础的造价。构件易于定型化、标准化，可采用工业化生产方式，实现构件的工厂预制和现场装配化施工。施工速度快,可提高劳动生产率和现场文明施工水平，施工用工少，工程质量可靠，建设工期短。符合环保要求，不仅在施工中减少大量噪声、粉尘污染和湿作业量，而且钢材本身可再生利用，与其配套的新型轻质墙板节能效果好，符合绿色环保和可持续发展的要求。2轻型钢结构的围护系统变电站采用的轻型钢结构与普通工业厂房的轻钢结构在结构体系上并无明显差别，都是采用轻型门式刚架或者钢框架结构，但由于变电站建筑物本身的特殊性，高等级的防火指标23决定了变电站建筑中轻型钢结构的围护系统，应选用防火、保温、隔热、防水效果好的轻型墙体材料。目前经常使用的有：轻型砌筑类墙体、单一材质板材、工厂预制型复合板材、现场复合型板材。2.1 轻型砌筑类墙体轻型砌筑墙体是由多种材料的块体砌筑而成的墙体结构。通常包括蒸压加气混凝土砌块墙体、混凝土小型空心砌块墙体、粉煤灰砌块墙体等。这几种轻质砌体均具有较好的保温、防火、抗震性能，原材料资源丰富，不破坏环境，应用广泛。但是这类墙体受到温度和干缩作用容易产生裂缝，导致墙体渗漏，使墙体的保温隔热和防水性能降低。此外，这类墙体在砌筑过程中存在大量现场湿作业，容易对钢结构造成锈蚀。另外砌筑施工速度慢，养护时间较长，与轻型钢结构体系快速装配化施工方式难以配套。由此可知这类砌筑墙体不适合变电站建筑中轻型钢结构的围护系统。2.2 单一材质板材能够满足围护系统各项建筑物理性能要求的单一材质墙体板材，目前应用较多的是蒸压轻质加气混凝土（Autoclaved Lightweight Concrete）板材简称ALC板材，它是以硅砂、水泥、石灰等为主要原料，由经过防锈处理的钢筋增强，经过高温、高压、蒸汽养护而成的多气孔混凝土板材，是一种性能优越的新型轻质建筑材料。ALC板以其轻质、高强、耐火、隔热、隔音、施工方便快捷等诸多优点被广泛应用于工业民用建筑领域。轻质高强：ALC板容重为500kg/m3左右，立方体抗压强度4MPa。它的自重仅相当于标准砖的1/4，混凝土的1/5，可以减轻建筑自重，同时显著减小了地震作用力，因而具有良好的抗震性能。隔热性能好：由于发泡及高温蒸养，板材内部形成很多封闭的小孔，在减小材料密度的同时使板材具有良好的保温性能（导热系数0.11W/mK）。有试验表明150mm厚的ALC板的保温隔热性能相当于50mm厚的岩棉夹芯板，等同于480mm厚的挤压成型空心混凝土板4。隔音性：ALC板发泡过程中产生的闭口式孔隙可以有效的防止雨水、潮气的渗透，同时微气孔具有一定的隔音效果，150mm厚板材（双面3mm腻子）平均隔声量达到45.6dB（计权隔声量），相当于粉刷的一砖墙的隔声效果。耐久性好：ALC板材是一种硅酸盐材料，它在光和空气中不会老化，其耐酸碱能力较强只要进行正常的维修没有风化问题。其正常使用寿命可以和各类永久性建筑物的设计使用年限相匹配。优良的施工性能： ALC板材按需求在工厂进行标准化生产，在现场安装施工，使建筑施工真正实现了工业化、产业化。节省了人力和时间，可以实现高效快速、低噪音、少污染文明施工。此外ALC板是一种不燃的无机材料，具有优良的耐火性，采用不同的墙厚可以分别满足各种不同耐火等级建筑物的耐火要求，同时ALC板在高温和明火下均不产生有害气体，这点较广泛使用但在高温下会产生有害气体的压型钢板夹芯板具有明显的优势。不同厚度和用途的ALC板的耐火极限见表1表1 ALC板耐火性能5用途ALC板厚度（mm）耐火极限（h）墙501.57752.251003.231504楼板1701.1屋面板1351.33保护钢梁503保护钢柱504ALC板优良的建筑物理特性和较好的耐火性能能够适用变电站所有建筑物，它与轻型钢结构共同配合组成了安装建筑构造体系，体现了ALC板干式装配施工工艺精确、便捷、高效的工程特点，与两型一化变电站的建设思路吻合。例如江苏镇江110KV齐梁变电站综合室的装配施工仅用了15天，整个变电站从开工到投运共计72天，较以往常规变电站的建设工期缩短了一半多。虽然ALC板材具有轻质高强，出色的防火保温隔热等性能，但同时存在刚度较低、表面硬度不够、吸水率大等不利因素，板缝防水处理和钩头螺栓连接对后续施工，尤其是装饰工程影响较大。2.3 工厂预制复合型板材这里主要讨论普通工业厂房中广泛使用的压型钢板夹芯板。压型钢板夹芯板是以压型钢板为面板，以轻质保温隔热材料为芯材，经连续成型工艺将芯材与面板粘结成整体的建筑用板材，俗称为“夹芯板”。这种复合板材虽然引进时间不长，但由于其具有良好的承载能力、出色的防火隔热保温效果、以及施工方便、快捷等一系列优点，因而在建筑的多个领域已得到广泛的认可和使用。压型钢板夹芯板除了以上所述的一般特性外，出色的防火保温隔热性能使它受到工程师们亲睐，而决定夹芯板的防火保温隔热等热工性能的是其所用“芯材”。“芯材”必须具有适宜的性能以达到对强度、刚度、建筑物理以及生产的要求，通常选用硬质塑料泡沫或无机纤维材料。目前在我国广泛应用的保温夹芯有发泡聚苯乙烯塑料夹芯(EPS)、聚氨酯发泡塑料夹芯(PU)、岩棉夹芯等。各种芯材的主要技术参数见表2所示：表2 各种芯材主要技术参数聚苯乙烯夹芯(EPS)聚氨酯发泡夹芯(PU)岩棉夹芯密度(kg/m3)20304010020%导热系数W/(mk)0.0410.0220.043吸水性(体积)0.08%2%5%相对吸湿性中中高燃烧性难燃B2 级难燃B2级不燃A 级最高使用温度()7090400备注优点：轻质高强，保温隔热效果好，整体性好。不足：长期使用温度低于70 ；耐久性不超过15 年；消防等级低，为难燃B2级。优点：与面层钢板的粘接强度高，整体性好，保温隔热性能优于EPS板。不足：长期使用温度低于90，消防等级低，为难燃B2级。优点：使用温度高；消防等级高，为不燃A 级材料；隔音效果明显。不足：吸湿率大，实际导热系数较EPS略大，自身重量大，整体性不如前两种；由于变电站建筑对主体结构和围护系统对防火有很高要求，下面就几种不同芯材的压型钢板夹芯板对火灾的适应性以及耐火性能进行讨论。Warringtong抗火研究中心采用英国防灾委员会（Loss Prevention Council）的LPS1181建筑试验方法，对上述三种芯材的压型钢板夹芯板进行了耐火试验6，根据试验，各种夹芯板的抗火性能具体表现见表3：表3 各种夹芯板抗火性能的具体表现（100mm厚）聚苯乙烯夹芯板聚氨酯复合夹芯板岩棉复合夹芯板试验中情况在受热时会发生熔化，呈流动态，产生滴落现象，造成火势进一步蔓延。火焰并未进入两层面板之间燃烧，面板未发生较大变形，从而维护了结构的整体性。试验过程中有机树脂粘结层的燃烧使得面板与夹层之间的粘结损失，在300 时粘结层被烧尽。两层面板间没有火焰，夹层几乎不燃烧。试验后情况建筑模型的面板已塌落，而且由于火势很大，最后是靠消防队才把火扑灭。模型的整体性较好 。火源温度超过900 时，聚氨酯夹层会有一定的烧毁。抗火性能比较好，耐火级别1h，试验后涂层均已燃烧殆尽，且板面出现鼓屈，但夹芯层的整体性非常好。最终岩棉夹层被烧毁1/4板厚度。由耐火试验可知聚苯乙烯和聚氨酯因其材料的局限性，其防火性能较差，特别是聚苯乙烯在火灾中的表现并不一定适合在大量的建筑中使用，这种“芯材”在火灾中有“熔滴”现象，并且会释放出有毒气体，造成人员窒息。而岩棉（玻璃丝棉）夹芯板是一种新型复合板材，从燃烧性能分析，应视为非燃烧体或不燃烧体，耐火性能相对较好。由前面不同“芯材”的技术参数对照比较和耐火试验的讨论可知，“芯材”的建筑物理性能包括：绝热性能、防火性能、抗潮湿性能、隔音性能等，但是这些性能彼此之间相互抵触，任何一种材料都不能很好的满足，选用时只能优先满足相对重要方面的需求。因此，对于“芯材”的选择，体现了不同需求性能优先顺序的折中。变电站中的主控通信楼、继电器室、无含油电气设备配电装置楼等建筑物火灾危险性分类为戊，非承重外墙为不燃烧体时，要求耐火极限为0.5h，由压型钢板夹芯板的建筑物理性能和耐火试验可知，岩棉夹芯板耐火性能较好，100mm厚耐火极限1h，可以作为这些变电站建筑物的围护系统。但是对于火灾危险性分类为丙、丁或更高的变电站其他建筑物，比如带有电缆夹层的主控通信楼、单台设备油量60kg以上的配电装置楼、油浸变压器室、电容器室（有可燃介质）、油浸电抗器室等则需要选用耐火等级更高的围护系统。2.4 现场复合型板材现场复合型板材是由数种材料复合而成。与工厂预制复合型板材不同的是，这种复合板材的每一种材料如内外面板、保温材料及饰面材料分别在工厂定型化大量生产，而复合组装则是在施工现场完成。相比于其它类型板材，现场复合板材的主要优点在于其良好的保温隔热性能和防止雨水渗漏功能。此类墙板通常采用外挂于钢框架结构之外的安装方法，可以将墙檩构件隐藏于板材内部，有利于后续的装饰施工。各项材料的现场安装保证了保温层的连续性，有效避免冷、热桥的产生。各层材料现场复合的另一好处是避免了单一板材在安装中必然面对的通缝问题。复合板材各层材料交错安装，为防止雨水渗透设置了多道屏障。另外，外饰面板与墙体骨架相对独立，可以自由选择不同风格与类型的装饰面材，赋予建筑更丰富的造型与变化。但同时也要看到现场复合型板材对材料生产加工的准确性要求较高，现场施工也更复杂。主要表现在工厂化生产的各单项材料之间的规格、尺寸及安装方式要相互匹配；施工精度和技术水平的优劣对建造成果有重要影响；板材各层材料之间的连接安装需要大量连接配件，这些配件精确度和调整度的好坏直接影响最终效果。除此之外，同工厂预制复合型板材一样这种复合型板材的耐火性能限制了在火灾危险性分类高的变电站建筑物中的应用。结语通过对几种轻型钢结构常用围护系统的分析、比较可以发现这几种板材建筑物理性能优越，可以定型化设计、工厂化生产，适合于装配式施工建造，配合已成熟发展的轻型钢结构，能够真正体现轻钢体系轻质、快速高效、布置灵活等一系列优势。复合型板材由于耐火性能限制只能应用于部分防火要求低的变电站建筑物，而蒸压加气混凝土ALC板材的耐火性能出色，适用于大部分变电站建筑物的围护系统，因而成为变电站建筑轻型钢结构围护系统的首选方案，已经在镇江齐梁110KV变电站、张家港三兴220KV变电站及扬州东石110KV变电站等电网工程