變電站建筑承載重型設(shè)備屋面綜合防水技術(shù)研究
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姜太榮1，張翼虎1，王 亮1，于 彬1，張?jiān)?，劉家彬2
（1．江蘇科能電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210036;2．東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）
[摘要]結(jié)合河北武強(qiáng)220kV變電站承載重型GIS設(shè)備屋面防水工程的特殊要求，從屋面混凝土結(jié)構(gòu)抗裂優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋面混凝土施工和屋面防水層施工綜合技術(shù)3個方面，采用建模分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)研究確定防水設(shè)計(jì)方案，通過嚴(yán)格、合理的綜合施工技術(shù)措施，較好地解決了重載屋面的開裂滲水問題。
[關(guān)鍵詞]防水工程；變電站；屋面；混凝土結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；施工技術(shù)
[中圖分類號] TU761.1+1 [文章編號]1002:8498( 2016) 09-0084-05
1 工程概況
目前變電站的常規(guī)做法是采用戶內(nèi)和戶外變電站兩種形式。電氣設(shè)備放置于室內(nèi)或室外地面，占地面積較大，為節(jié)省土地資源，河北武強(qiáng)220kV變電站采取將電氣設(shè)備放置于屋頂?shù)姆绞�。武�?qiáng)變電站綜合樓屋面板長50. 00m，寬13.58m，樓板厚150mm，最大梁跨9.50m。設(shè)備基礎(chǔ)采用整體板式基礎(chǔ)，坐落在樓板之上，并與樓板整體澆筑。設(shè)備基礎(chǔ)區(qū)域如圖1陰影部分所示，設(shè)備基礎(chǔ)A厚度為300mm，B厚度為385mm。
在屋面上布置電氣設(shè)備，由于預(yù)埋件及設(shè)備基礎(chǔ)的存在，增加了屋面防水的復(fù)雜性；電氣設(shè)備操作時動荷載較大，對屋面的振動較大，易增大屋面漏水的可能；而且屋面在長期荷載及外界環(huán)境的影響下，易出現(xiàn)較大變形，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂，對屋面防水的完整性產(chǎn)生不利影響。在安裝、運(yùn)行與檢修的生產(chǎn)活動下，如何保證變電站屋面防水工程的可靠性變得極為重要。
本文通過屋面混凝土結(jié)構(gòu)抗裂優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋面混凝土施工和屋面防水層施工綜合技術(shù)研究，解決該變電站建筑承載重型設(shè)備屋面防水問題。
2 屋面混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
變電站屋面在施工和長期使用過程中，由于混凝土收縮、設(shè)備自重及運(yùn)行時的動荷載等因素影響，屋面易出現(xiàn)較大變形，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂，對屋面防水的完整性產(chǎn)生不利影響。因此，應(yīng)對施工階段和使用階段的屋面混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，找出屋面應(yīng)力集中及變形較大的薄弱部位，然后采取合理措施控制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。
2.1施工階段分析
在施工階段主要分析溫度應(yīng)力的影響。通常將混凝土收縮換算成等效溫差，與結(jié)構(gòu)的溫度變化疊加，得到計(jì)算溫差，然后按計(jì)算溫差對結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。參數(shù)取值時，考慮了本工程對混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及采取相應(yīng)的抗裂措施（如摻入外加劑）。
在溫度荷載作用下，混凝土收縮戈向（屋面板長邊方向）收縮值約6mm（見圖3）。板的最大拉應(yīng)力位于x向兩端的梁柱附近，x向和y向板頂拉應(yīng)力在2MPa以內(nèi)（見圖4），均小于C30混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f=2. 01MPa的要求，在采取合理的養(yǎng)護(hù)措施情況下可以保證混凝土板在施工階段不開裂。
2.2使用階段分析
在使用階段，電氣設(shè)備的自重及運(yùn)行時的動荷載引起結(jié)構(gòu)性裂縫，同時季節(jié)溫度變化也會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，因此需要對屋面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形進(jìn)行分析。分析時考慮以下2種情況：①把設(shè)備基礎(chǔ)作為恒載（使用階段a）；②把設(shè)備基礎(chǔ)作為樓板厚度的一部分（使用階段b）。
1)位移分析 屋面板的水平位移，沿板x向的伸長與收縮范圍近±10mm，較板長50m可達(dá)0. 04%，對結(jié)構(gòu)沿x向兩端的梁柱內(nèi)力影響非常明顯。使用階段a最大下?lián)蠐隙?.3 mm，位于⑫軸和⑬軸之間；使用階段b最大下?lián)蠐隙葹?.3 mm，同樣位于⑫軸和⑬軸之間。把設(shè)備基礎(chǔ)作為樓板厚度的一部分時，撓度較小。
2.3 薄弱部位處理措施
根據(jù)以上建模分析，屋面薄弱部位需加強(qiáng)配筋，增設(shè)附加鋼筋。同時在滿足荷載要求和配筋率要求的前提下，多采用較細(xì)而分布較密的鋼筋，使鋼筋的分布接近網(wǎng)狀，提高混凝土結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)變，提高混凝土的抗裂能力。在滿足規(guī)范要求條件下，樓板分布鋼筋的直徑最小選用6mm，小跨度樓板受力筋的直徑選用8mm;非受力分布筋及樓板簡支端鋼筋間距控制在200mm以內(nèi)，受力鋼筋間距控制在150mm以內(nèi)較為理想。
2.4屋面防水構(gòu)造設(shè)計(jì)
河北武強(qiáng)220kV變電站對于屋面防水的要求比保溫更為嚴(yán)格，故采用倒置式屋面的做法，即防水層在下而保溫層在上，保溫層對防水層起保護(hù)作用。除采用常規(guī)的倒置式屋面構(gòu)造層次外，本工程還采用“剛?cè)岵?jì)”的復(fù)合防水層，并通過試驗(yàn)環(huán)節(jié)進(jìn)行對比，選取結(jié)構(gòu)與防水材料變形協(xié)調(diào)好、多道設(shè)防的防水設(shè)計(jì)。
2.4.1試驗(yàn)過程
依據(jù)“相容性原則、互補(bǔ)性原則、層次性原則”，設(shè)計(jì)了6個試件進(jìn)行試驗(yàn)研究。各試件防水層的具體做法（由下至上）如表1所示。
整個試驗(yàn)過程為升溫-淋雨一靜置循環(huán)80次，每次6h:①升溫3h:使試樣表面升溫至70℃，并恒溫在(70 +5) ℃（其中升溫時間為1h）；②淋水1h:向試樣表面淋水，水溫為(15±5)℃，水量為1.0~1. 511( m2．min)；③靜置2h。試驗(yàn)設(shè)備與裝置如圖5所示。
在升溫-淋雨一靜置循環(huán)過程中，采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，測試卷材及混凝土板隨溫度改變時應(yīng)變的變化情況。應(yīng)變片第1層粘貼在最上層防水卷材表面；第2層粘貼在混凝土板上表面。
對TPO，EPDM和SBS 3種卷材分別鋪貼在單組分聚氨酯涂料防水層和聚合物防水砂漿層上的溫度應(yīng)變進(jìn)行測試，鋪貼在聚合物防水砂漿層上時，TPO卷材的溫度應(yīng)變最小。同時對混凝土板上表面的溫度應(yīng)變進(jìn)行測試，上部剛性材料采用20mm厚聚合物防水砂漿時，混凝土板在溫度變化下的應(yīng)變較小。防水層（由下至上）采用“單組分聚氨酯涂料防水層+聚合物防水砂漿層+熱塑性聚烯烴TPO防水卷材”的組合形式，整體變形協(xié)調(diào)性能最好。
2.4.2 防水方案
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范《屋面工程技術(shù)規(guī)范》GB50345-2012，河北武強(qiáng)220kV變電站屋面防水詳細(xì)做法如圖6所示。
為提高基層剛度，控制結(jié)構(gòu)變形，排水坡宜采用結(jié)構(gòu)找坡，同時采用結(jié)構(gòu)找坡可以簡化屋面的構(gòu)造層次，利于防水。結(jié)合倒置式屋面的做法，坡度為3%。
3 屋面混凝土施工
混凝土屋面板作為屋面防水的最后一道防線，為保證其施工質(zhì)量，提高其剛性自防水能力，著重對混凝土原材料的選取、配合比設(shè)計(jì)、澆筑、振搗和養(yǎng)護(hù)等進(jìn)行多點(diǎn)控制。
3.1 原材料的選取
3.1.1 水泥
同樣成分的水泥，顆粒越細(xì)、與水接觸的表面積越大、水化速度越快、其早期強(qiáng)度越高；但是顆粒過細(xì)，水泥硬化時收縮大，易產(chǎn)生裂縫。選用普通硅酸鹽水泥或粉煤灰硅酸鹽水泥，且水泥細(xì)度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。
3.1.2骨料
粗骨料最大粒徑不宜大于31.5 mm，連續(xù)級配。且粗骨料通常以堆積密度較大、用水量較小時的級配為宜，利于提高混凝土工作性，又可以提高混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性。細(xì)骨料宜選用級配良好、細(xì)度模數(shù)2.6以上的中砂。
骨料中的含泥量對混凝土的抗?jié)B性能有很大影響。含泥量過大，泥土降低了水泥和砂石的黏結(jié)力；而且體積不穩(wěn)定，干燥時收縮，潮濕膨脹，易導(dǎo)致混凝土開裂。所以粗骨料含泥量≤1.0%，泥塊含量≤0. 5%；細(xì)骨料含泥量≤2.0%，泥塊含量≤1.0%。
3.1.3摻和料
在配制防水混凝土?xí)r優(yōu)先選用優(yōu)質(zhì)粉煤灰。優(yōu)質(zhì)粉煤灰可以降低溫升、增強(qiáng)后期強(qiáng)度、改善工作性能，并可改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高耐久性和抗?jié)B性。采用I級粉煤灰，燒失量< 5%，摻量≤20%。
3.1.4外加劑
膨脹劑對混凝土的收縮進(jìn)行補(bǔ)償，并具有填塞毛細(xì)孔的作用，提高混凝土的抗?jié)B性能；高效減水劑可以有效延緩水泥水化熱的釋放，降低水化熱溫升峰值，避免中心溫度急劇上升導(dǎo)致溫差增大。選用UEA膨脹劑和聚羧酸高效減水劑。
3.2配合比設(shè)計(jì)
河北武強(qiáng)220kV變電站抗?jié)B等級為P8�；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)除滿足強(qiáng)度要求外，主要考慮減小混凝土的自身收縮和補(bǔ)償混凝土的收縮。
為減小混凝土的收縮，適當(dāng)減緩混凝土早期水化速度，減少膠凝材料用量。在保證混凝土強(qiáng)度和耐久性的同時盡量降低單位用水量，以減少水泥用量；同時，在保證強(qiáng)度及坍落度的前提下，提高摻和料及骨料的含量，采用高效聚羧酸減水劑以降低每m3混凝土的水泥用量。每m3混凝土中的水泥、膨脹劑和礦物摻和料總量≥320kg。
根據(jù)以上配合比設(shè)計(jì)思路，河北武強(qiáng)220kV變電站屋面混凝土結(jié)構(gòu)最終所采用的配合比為：水泥：砂：石子：粉煤灰：膨脹劑：聚羧酸減水劑：水=316: 720:1 152: 43:3.86:4.0：181，坍落度為(16±2) cm。
3.3 混凝土澆筑、振搗和養(yǎng)護(hù)
安排合理的施工工序，分層、分塊澆筑，以利于散熱，降低溫度應(yīng)力。盡量避開在太陽輻射較高的時間澆筑混凝土。在高溫季節(jié)泵送混凝土?xí)r，采用濕潤草袋覆蓋管道進(jìn)行降溫，以降低入模溫度。
對已澆筑的混凝土在終凝前進(jìn)行二次振搗，排出混凝土在石子和水平鋼筋下部形成的空隙和水分，減少內(nèi)部裂縫和氣孔，提高抗裂性能。澆筑完畢后，表面要壓實(shí)抹平，防止產(chǎn)生表面裂縫。
考慮補(bǔ)償收縮混凝土，特別加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，混凝土澆筑完畢后，及時覆蓋和灑水養(yǎng)護(hù)，保持混凝土表面經(jīng)常濕潤，防止干縮裂縫產(chǎn)生。在澆筑完畢后12~18h內(nèi)立即開始養(yǎng)護(hù)，連續(xù)澆水覆蓋養(yǎng)護(hù)時間≥28d或設(shè)計(jì)齡期。保持澆筑完成的混凝土在潮濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，延緩水分的蒸發(fā)速度，使水泥、膨脹劑充分水化，增加混凝土的密實(shí)性，提高抗?jié)B性能。
4 防水層施工
屋面防水技術(shù)是綜合性很強(qiáng)的應(yīng)用科學(xué)技術(shù)，涉及面廣，施工操作是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵。只有通過合理的施工技術(shù)和現(xiàn)場操作，才能確保設(shè)計(jì)目的的實(shí)現(xiàn)和材料功能的有效發(fā)揮。
4.1 聚氨酯涂膜防水層施工
屋面基層表面要抹平壓光，表面平整，無起砂掉灰等缺陷存在。先做好細(xì)部處理，再進(jìn)行大面積涂布。均勻涂刷基層處理劑目的是隔斷基層潮氣，防止防水涂膜起鼓脫落；同時加固基層，提高涂膜與基層的黏結(jié)強(qiáng)度，防止涂層出現(xiàn)針氣孔等缺陷。
1)第1遍涂層施工 在基層處理劑基本干燥固化后，用塑料或橡膠刮板均勻涂刮第1層涂料，涂刮厚度一般為0. 8mm左右為宜，4h內(nèi)涂刮完畢，防止涂料固化不能使用。開始涂刮時，應(yīng)根據(jù)施工面積大小、形狀和用料，統(tǒng)一考慮施工退路和涂刮順序。
2)胎體網(wǎng)格布鋪貼 邊涂布防水涂料邊鋪聚酯無紡布胎體，靠聚氨酯的粘接力將其粘牢，鋪貼時要求平整，排除氣泡。鋪貼方式由屋面最低標(biāo)高向上鋪貼，平行屋脊的搭接縫應(yīng)順流水方向。胎體長邊搭接寬度≥50mm，短邊搭接寬度≥70mm。
3)第2遍涂層施工 在第1遍涂層基本固化后，再在其表面刮涂第2遍涂層，涂刮方法同第1遍涂層。為確保防水工程質(zhì)量，涂刮的方向必須與第1層的涂刮方向垂直。重涂時間的間隔由施工時的溫度和涂膜固化的程度（以手觸不粘）來確定。在胎體上涂布涂料時，使涂料浸透胎體，覆蓋完全，不得有胎體外露現(xiàn)象，最上面的涂層厚度≥1.0mm。
在第2遍涂膜施工完畢又未完全固化時，在其表面稀撒上少量干凈的砂粒（直徑≤2mm），以增加涂膜層與將要覆蓋的水泥砂漿之間的黏結(jié)力。當(dāng)涂膜固化完全和檢查驗(yàn)收合格后，抹防水砂漿找平層。
4.2 聚合物砂漿層施工
清理干凈聚氨酯涂層表面浮動的砂粒，鋪設(shè)砂漿時，按由遠(yuǎn)及近、由高到低的順序進(jìn)行，每分格內(nèi)一次連續(xù)鋪成，按設(shè)計(jì)控制好坡度。12h后用草袋覆蓋，澆水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間≥7d。分隔縫的縱向和橫向間距≤6m，縫寬20mm，分隔縫設(shè)在防水層與突出屋面構(gòu)件的交接處、防水層與女兒墻交接處等位置，且與板端縫對齊，均勻順直。分隔縫中嵌填密封材料。
4.3 TPO防水卷材施工
將聚合物砂漿基層表面的灰塵、雜物清理干凈，保持干燥，在陰陽角處應(yīng)抹成半徑為50mm以上的圓角。
均勻涂刷基層處理劑�；鶎犹幚韯┡c卷材相容，配比準(zhǔn)確，干燥后及時進(jìn)行卷材施工。
鋪貼卷材時將自粘膠底面的隔離紙完全撕凈，施工溫度≥10℃，低溫施工時，立面、大坡面及搭接部位宜采用熱風(fēng)機(jī)加熱，加熱后隨即粘貼牢固。由屋面最低標(biāo)高向上鋪貼，用木抹子或橡膠板拍打卷材表面，排出卷材下表面空氣，使卷材與聚合物砂漿基層緊密貼合。
平行屋脊的卷材搭接縫應(yīng)順流水方向，搭接寬度≥80mm。相鄰兩幅卷材短邊搭接縫錯開，且≥500mm。搭接縫口采用材性相容的密封材料封嚴(yán)，寬度≥10mm。
4.4設(shè)備基礎(chǔ)細(xì)部防水處理
由于變電站屋面設(shè)備基礎(chǔ)的存在，卷材需要分塊鋪貼，鋪貼到設(shè)備基礎(chǔ)位置時，設(shè)備基礎(chǔ)周圍增設(shè)附加層，附加層在平面的寬度≥250mm，具體做法如圖7所示。地腳螺栓預(yù)埋在設(shè)備基礎(chǔ)之上，螺栓周圍用密封膏密封，具體做法如圖8所示。
5 結(jié)語
針對河北武強(qiáng)變電站重載屋面難以解決的防水問題進(jìn)行具體研究和施工實(shí)踐，采用建模分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)研究確定防水設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)格、合理的施工技術(shù)等綜合措施，變電站建筑承載重型設(shè)備屋面使用正常，未發(fā)現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象，較好地解決了重載屋面的開裂滲水問題。
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