钢结构装配式变电站一体化围护结构抗火性能研究_盛学庆.pdf

第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.LS210277国网浙江省电力公司科技项目:装配式变电站模块化建设关键技术研究及应用(188002)。第第一一作作者者:盛学庆,硕士,正高级工程师,主要从事土建设计及管理,Email:sxq_ks 。通通信信作作者者:曾聪,博士,副教授,硕士生导师,主要从事钢结构稳定性和装配式建筑领域的研究,Email:zc_1113 。钢结构装配式变电站一体化围护结构抗火性能研究盛学庆1,曾 聪2,潘胜军1,陈佳慧1(1 杭州市电力设计院有限公司,杭州 310014;2 东北电力大学建筑工程学院,吉林 132012)摘要:当前钢结构装配式变电站仍存在围护结构装配化程度低、主体结构防火构造与围护结构不匹配等技术问题,基于此,提出了一种适用于钢结构装配式变电站的一体化围护结构,一方面实现对梁柱的防火保护,同时也可以实现防火板与墙板的一体化。对单榀钢框架进行了足尺抗火试验,并对不同厚度蒸压轻质混凝土防火板(ALC板)的抗火性能进行了有限元分析。结果表明:由 50mm 厚 ALC 板+50mm 厚岩棉层+50mm 厚 ALC 板组成的一体化墙板和使用 100mm 厚 ALC 板作为梁柱防火板的主体结构均能满足 ISO-834 标准火灾模拟下的耐火极限要求。关键词:装配式变电站;钢结构;一体化围护体系;抗火性能;蒸压轻质混凝土板中图分类号:TU398.9 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0098-05引用本文 盛学庆,曾聪,潘胜军,等.钢结构装配式变电站一体化围护结构抗火性能研究J.建筑结构,2023,53(5):98-102.SHENG Xueqing,ZENG Cong,PAN Shengjun,et al.Study on fire resistance performance on integrated enclosure structure of steel prefabricated transformer substationJ.Building Structure,2023,53(5):98-102.Study on fire resistance performance on integrated enclosure structure of steel prefabricated transformer substation SHENG Xueqing1,ZENG Cong2,PAN Shengjun1,CHEN Jiahui1(1 Hangzhou Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Hangzhou 310014,China;2 School of Civil Engineering and Architecture,Northeast Electric Power University,Jilin 132012,China)Abstract:The present steel prefabricated transformer substation still have some technical problems,such as low assembling degree of enclosure structure and mismatching of main structure fire prevention structure and enclosure structure.Based on this,an integrated enclosure structure for steel prefabricated transformer substation was proposed.It can realize the fire protection of the beams and columns,and also integrate fire prevention board with wall panel at the same time.A full-scale fire resistance test was carried out on the single-thickness steel frame,and the fire resistance performance of autoclaved lightweight concrete board(ALC board)with different thicknesses was analyzed by finite element method.The results show that the integrated wall board composed of 50mm ALC board+50mm rock wool layer+50mm ALC board and the main structure using 100mm ALC board as the fire prevention board can meet the fire resistance limit requirements under fire simulation in standard ISO-834.Keywords:prefabricated transformer substation;steel structure;integrated enclosure structure;fire resistance performance;autoclaved lightweight concrete board0引言 国家全面推进装配式建筑,国家电网公司也在大力推动装配式变电站建设。对于钢结构装配式变电站主体结构的梁柱防火保护,现阶段主要采取的办法是直接在钢结构表面涂抹防火涂料或利用防火板材进行包覆保护1-2,围护结构往往难以与梁柱构件的防火涂料层实现无缝连接,也很难对外露的主体结构构件进行隐蔽3-6。而且由于结构梁柱均采用 H 型钢,从形状上也很难与墙面协调。因此,为了改善装配式构件的外观,同时保证结构的防火性能,十分有必要研发一种兼具装饰功能和防火功能的一体化围护结构,对主体结构进行防火7-10。一体化围护结构是将单榀主体钢结构框架的防火保护板材与内龙骨夹芯墙板通过装配式连接有效结合。赵根田等11针对端板半刚性连接的梁柱节点形式,对部分包裹混凝土柱与 H 型钢梁连第 53 卷 第 5 期盛学庆,等.钢结构装配式变电站一体化围护结构抗火性能研究接组合体在低周反复水平荷载作用下的受力性能进行了试验研究。结果表明,随端板厚度的增加及设置背垫板,组合体的承载力提高。蒋首超等12通过对常见的钢结构围护材料进行评价,筛选了包括蒸压轻质混凝土(ALC)等 3 类可兼作防火保护的材料,并通过抗火性能测试发现,这几类材料均能为钢结构提供良好的防火保护,验证了钢结构建筑围护与防火一体化的可行性。之前的学者针对于变电站等大型钢结构的研究虽然也有梁柱的防火保护板材,但对完全无缝连接的装配式的外墙一体化结构的研究很少,本文的主要内容就是设计了这种一体化结构体系并进行了抗火性能研究。本文选用单榀主体钢结构框架,使用 ALC 板对其进行包覆形成主体结构,并与内龙骨夹芯墙板进行组合,形成一体化围护结构进行抗火试验,验证围护结构、主体结构中钢梁柱耐火极限是否满足要求。1试验概况 一体化围护结构由主体钢结构的外防火板和非主体结构部分用作围护墙板的夹芯墙板两部分组成。分为两个试验,第一个试验直接针对整个一体化围护结构进行抗火试验,研究其整体的防火性以及装配式连接件的可使用性。由于主体钢结构的保护是一体化围护结构中最重要的部分,所以进行第二个试验,是单独将一体化围护结构中外包ALC 板单榀钢框架进行抗火试验,去进一步验证外包 ALC 板对主体钢结构的保护性。1.1 试件设计 一体化围护结构中用作围护墙板的内龙骨夹芯墙板采用双面 50mm 厚 ALC 板+50mm 厚内龙骨岩棉层组装而成13,墙板尺寸为 1.9m 0.6m 0.15m,如图 1(a)所示。主体钢框架钢柱的 ALC 板材包覆见图 1(b),以 ALC 板作为防火包裹板以及建筑外墙板,在保证建筑美观的同时,也能达到抗火要求,便于安装。H 型钢梁、H 型钢柱防火采用矩形包围包裹的方式,将 H 型钢梁、H 型钢柱完全包裹于 ALC 板内,实现对其的保护,形式如图 1(c)、(d)所示。连接槽使用防火胶泥和 ALC 板封堵,保证其抗火性能。包裹板材料与围护墙板材料相同,实现了一体化的理念,使得结构更加美观。此外,为了保证夹芯墙板与 H 型钢梁、H 型钢柱包裹防火板的连接简单高效,在 H 型钢梁、H 型钢柱包裹防火板的侧壁上预埋 U 形钢,将 U 形钢与H 型钢梁、H 型钢柱包裹防火板通过自攻螺钉进行连接。夹芯墙板在横向切开两个 5cm10cm 的矩形切口,将轻钢龙骨框架裸露在外,将轻钢龙骨插进 U图 1 一体化围护结构构造图图 2 围护结构中墙板之间连接示意图形薄壁槽钢的开口内,再使用自攻螺钉进行连接,采用装配式实现,具体做法如图 2 所示。1.2 试验装置及制度 试验采用的垂直构件耐火炉尺寸为 3m3m2m。炉内布置无线热电偶实时监控炉温。试验装置如图 3 所示。采用国际标准升温曲线 ISO-834 进行火灾模拟。试验采用单面受火、背火面模拟室温的形式,不加载。ISO-834 标准升温曲线如图 4 所示。图 3 垂直构件耐火试验炉 图 4 ISO-834 标准升温曲线99建 筑 结 构2023 年1.3 测点布置 根据建筑构件耐火试验方法 第 1 部分:通用要求(GB/T 9978.12008)14(简称耐火试验方法),第一个试验,即一体化围护结构抗火试验受火时间为 1h,目的为观察一体化围护结构的整体性以及装配式连接件破坏形式,故选取 H 型钢梁以及 H 型钢柱的中部一点作为温度测点。待试验结束后观察墙板以及连接件情况。热电偶温度测点布置如图 5(a)所示,其中 R1、R2、R3 测点分别为 3 块内龙骨夹芯墙板背火面的中心位置,R4 测点为钢柱腹板中心处位置,R5 测点为 H 型钢梁腹板中心处位置。切口处连接件在受火完成后,观察其形态变化。根据耐火试验方法,第二个试验,即外包 ALC板单榀钢框架抗火试验受火时间为 3h,此试验主要是对外包 ALC 板单榀钢框架的 H 型钢柱、H 型钢梁的抗火性能进行研究,不与围护夹芯墙板进行组装。温度测点的布置相较于一体化围护结构的测点布置更为全面,基本包括了 H 型钢梁、H 型钢柱所有截面上的测点,测点布置如图 5(b)、(c)所示。图 5 单榀钢框架温度测点布置图其中 P1、P2、P3 测点位于 H 型钢柱腹板三个不同截面高度,P2 测点在中心处。P4、P5、P6 测点在H 型钢柱左翼缘外边缘,P7、P8、P9 测点在 H 型钢柱右翼缘外边缘。P10、P11、P12 测点在 H 型钢梁腹板三个不同截面宽度,其中 P11 测点在中心处。P13、P14、P15 测点在 H 型钢梁上翼缘外边缘。1.4 抗火试验结果 对于一体化围护结构抗火试验,受火 7min 后,有白烟从 H 型钢梁下部冒出,并伴有一定程度的刺激性气味。受火 10min 时,有大量燃烧木头的气味产生,这是因为在安装试验装置的时候,上部为了与框架贴合紧凑,使用了少量木头垫块塞在结构与框架之间,使得结构与钢框架连接紧密。受火30min 时,结构基本不再发生变化,白烟持续从框架上部漏出。一体化围护结构试验的温度-时间(T-t)曲线见图 6。由图可得,R1、R2、R3 测点随受火时间的增加,温度上升趋势接近相同,均属于板材单面受火导致的温度上升。对于 H 型钢柱测点,随受火时间的增