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,随受火时间的增加,温度缓慢上升,因为 R4 测点位于 H 型钢柱中间部位,且距离炉内火源距离偏远,导致温度不及 H 型钢梁温度上升趋势快。反观 H 型钢梁的 R5测点,随受火时间的增加,温度匀速上升并持续增高。出现此现象的原因也是炉内温度分布不均匀,导致结构上层中间部位温度高于其他位置,造成 H型钢梁跨中位置温度较高。图 6 一体化围护结构抗火试验测点 T-t 曲线围护墙板之间的连接依靠切口处的连接件与轻钢龙骨进行连接,将填充切口的 ALC 板与岩棉拿掉后,受火后连接件的破坏形式如图 7 所示。由图可得,连接件并未发生破坏,钢材未发生变形,用于连接的自攻螺钉未发生变形。证明在受火 1h 后的内围护墙板满足耐火试验方法要求的耐火极限,连接件的选择以及连接件的作业方式,均符合此种施工工艺,可以作为装配式建筑围护结构的连接方式。图 7 围护结构中墙板之间连接件受火后的破坏形态001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对于外包 ALC 板单榀钢框架抗火试验,试验时长为 3h。受火 10min 左右,H 型钢梁下部有白烟冒出,有异味产生。试验初期伴随着燃烧木头的气味和大量白烟。H 型钢梁、H 型钢柱的颜色在试验初期均未发生变化。受火 90 min 左右直到结束,H 型钢梁、H 型钢柱无明显颜色变化。外包 ALC 板单榀钢框架的 T-t 曲线见图 8,由图可得,试件在受火 50 min 时,H 型钢柱受到受火面 ALC 板材的保护,温度基本保持不变。受火 50 min 后,H 型钢柱下方测点上升幅度相较于上部测点较小,受到了炉内温度中上部偏高而导致,但是温差很小。温度最高点为 P15 测点,P15 测点为 H型梁右翼缘板上部位置。所以 100mm 厚 ALC 板可以对 H 型钢梁、H 型钢柱起到很好的保护作用。图 8 外包 ALC 板单榀钢框架抗火试验测点测点 T-t 曲线试验结束后,拆卸结构中间的围护墙板,进入试验炉内观察试件受火面形态变化,如图 9 所示。由图可得,ALC 板包裹的梁柱受火面仅少量裂缝产生,且颜色未发生改变,各处板缝之间的填补也未发生漏火等情况。图 9 梁柱包裹防火板受火面破坏情况根据耐火试验方法,钢梁的耐火极限为 2h,钢柱的耐火极限为 3h。在耐火极限的时间范围内,本试验 H 型钢梁、H 型钢柱均未发生失稳及垮塌等,梁柱最终温度均不超过 100,且通过对构件的挠度等进行测量,钢梁最大变形为 39mmL/20,钢柱最大轴向变形为 10mmh/100,其中 L 和 h 分别为梁的净跨长度和柱的高度,均符合耐火极限规范要求。2有限元模拟2.1 有限元模型的建立 利用 ABAQUS 软件对外包 ALC 板单榀钢框架进行数值模拟分析。有限元模拟的分析步总长为10 800,即 3h。各部分连接件之间的设置均设置为“Tie”约束,ALC 板包裹的单榀梁柱框架有限元模型如图 10 所示。图 10 外包 ALC 板单榀钢框架有限元模型钢材与 ALC 板所选取单元类型均为三维实体拉伸单元。在温度场模拟中,钢材导热系数 的取值参照欧洲规范 EC2,其计算公式见式(1);对于蒸压加气混凝土,导热系数取 0.14 W/(mK)。=54-3.33 10-2T(20 T 800)=27.3(T 800)(1)2.2 有限元与试验结果对比 H 型钢梁、H 型钢柱在 100mm 厚 ALC 板材包裹下,受火 3h 后的温度云图如图 11 所示。图 11 H 型钢梁、H 型钢柱受火 3h 后的温度云图/由图 11 可知,H 型钢梁温度最高的位置在靠近受火侧下翼缘板,H 型钢柱温度最高的位置在靠近受火侧的两个翼缘板。选取 P2 测点,将试验结果与模拟结果对比,如图 12 所示。由图 12 可得,试验结果与模拟结果相差不超过 2%,说明 H 型钢柱在受到 100mm 厚 ALC板材的包裹保护下,最高温度为 35.9。由试验结101建 筑 结 构2023 年果可知,H 型钢梁、H 型钢柱上方测点温度要高于中部测点温度,这是由于炉内温度上方偏高而导致的上部区域温度普遍高于中下部。2.3 参数分析 为探究不同厚度 ALC 板对钢框架抗火性能的影响,根据实际工程中常用厚度,选择 50、100mm 厚的 ALC 板进行有限元模拟,温度测点选取柱跨中测点 P2,两种不同厚度 ALC 板包裹的 H 型钢柱跨中测点 P2 的温度对比如图 13 所示。由图可得,在受火 3h 的情况下,H 型钢柱跨中温度已经超过正常工作时的 150,会对 H 型钢柱的力学性能造成影响,不符合规范要求。也就是说,50mm 厚的 ALC 板可满足钢梁 2h 的耐火极限,而不能满足钢柱的 3h 耐火极限。且若用 50mm 厚的 ALC 板材进行包裹,容易对结构的承载能力造成影响,故 50mm 厚的 ALC 板材包裹在模拟中不符合要求。图 12 P2 测点试验与模拟结果对比图 13 不同厚度 P2 测点的温度对比3结论 (1)一体化围护墙板连接件可以支撑柱、墙板之间的横向连接,并在受火 1h 的情况下,使结构保持原形态,连接位置未发生钢材弯曲以及自攻螺钉屈曲等现象,证明此种连接形式可以投入正常变电站围护结构使用。(2)在不加载的情况下,使用 100mm 厚 ALC 板包裹钢框架,受火 3h 后 H 型钢梁、H 型钢柱的最高温度均未超过 100,未对梁柱的强度产生影响。且由于 ALC 板材的材质原因,受火后未产生断裂破坏,证明了 ALC 板材优越的防火性能。(3)在一体化围护结构中,100mm 厚的 ALC 板材对梁柱的保护能力更强,作为建议使用厚度。而50mm 厚的 ALC 板使得梁柱在不加载的情况下,温度达到了 150左右,这在梁柱加载工作的条件下,属于危险温度,会对梁柱的刚度造成影响,产生塑性破坏。所以一体化围护结构的组成应选用 50mm厚 ALC 板+50mm 厚岩棉层+50mm 厚 ALC 板组成内龙骨夹芯围护墙板,并使用 100mm 厚的 ALC 板作为梁柱防火板的主体结构。参考文献 1 郭小农,陈晨,朱劭骏,等.铝合金空间结构抗火性能研究进展J.防灾减灾工程学报,2020,40(2):293-308.2 潘希成.钢结构主要防火保护措施综述J.山西建筑,2019,5(18):39-40.3 李白宇.抗火试验中钢结构缩尺模型的相似理论研究D.北京:中国建筑科学研究院,2019.4 党张辉.半刚接无侧移组合框架耐火性能研究D.西安:西安建筑科技大学,2019.5 SALHAB B,WANG Y C.A study of the thermal performance of cold-formed thin-walled perforated steel studs(thermal studs)in 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