非金属GRC材料箱变箱体制造工艺及其强度可靠性分析.docx

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非金属GRC材料箱变箱体制造工艺及其强度可靠性分析

非金属GRC材料箱变箱体制造工艺及其强度可靠性分析

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大-中-小gqgmzhang 发表于09-12-2711:

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景观型非金属箱体特点

　　景观型非金属箱式变电站箱体（以下简称箱变箱体）见图1应用GRC复合材料制造始于上世纪的1997年。

由于其具有较强的机械强度（其试样的强度，抗折18～20MPa，抗拉3.5～4.5MPa、抗压40～45MPa、抗冲击14～18KJ/?

），箱体能够满足IEC1330标准规定的六条判据要求,可防止万一内部故障电弧破坏强度。

资料记载德国公司要求在故障时能承受0.018MPa冲击力及0.035MPa冲击力（非移动式）。

图1

　　GRC（GlassFiberReinforcedCement）复合材料制造的箱变箱体其强度完全可以承受汽车运输产生的震动和抖动的破坏力。

苏州企业制造的非金属箱式变电站已先后采用汽车运输到蒙古、越南、哈萨克斯坦等国。

　　GRC材料从上世纪70年代开始应用于箱式变电站制作上,并在桥梁、建筑、护拦、遮阳板、粮仓、浮筒等处使用,已证明其具有抗曝晒、抗辐射、抗风化、隔热、防水等特性,具有防大气腐蚀能力。

GRC材料试块的物理学性能实验表明其抗冻融性25个循环没有出现剥落、脱层等不良现象。

实践使用证明非金属箱变箱体和户外电气柜体在户外受骤冷、骤热环境下不产生凝露,因此杜绝因凝露产生高低压电气设备闪络,甚至短路事故发生。

　　GRC材料制造的非金属箱变箱体外型可塑性大,尺寸变化不受限制,目前箱变箱体外型有欧式形式多种及户外开关站、户外环网柜、农用配电箱、电站用消弧线圈柜、中性点电阻柜等箱体。

色彩可与周围环境协调匹配,能满足城市建设和景区环境要求。

箱体的外观有多种装饰,除采用各种颜色外墙乳胶漆涂料,仿石砖、墙砖、三色条砖、木纹砖等装饰外.苏州爱信公司在非金属箱体外装嵌仿腐木条（见图2）,其防腐木条是经过CCA-C防腐剂专门处理过,可提高使用寿命十倍以上。

图2

GRC材料制造的箱体使用寿命长达40~50年,与水泥制品、金属制品相比较的评价见阿尔斯通公司推荐的比较表。

表1箱变箱体材料评价比较表

评估项目

GRC

传统水泥

金属

抗腐蚀性

好

中

差

抗火性

好

中

差

抗内部燃烧性

中

好

差

维护性

好

好

差

寿命

中

好

差

总评

高

高

差

　　2GRC复合材料的由来及其制造工艺

　　GRC复合材料首先是由英国建筑研究单位于上世纪70年代开发研究成功的。

具有轻薄、抗撞、吸音、防潮、耐酸雨、耐盐份、耐风化、施工快速等多重优点,而被广泛应用多种场合,同时GRC材料也被应用制造箱变箱体上来。

　　GRC复合材料是以耐碱玻纤作增强材料,低碱度（pH≤10.5）硫酸铝盐快干水泥为粘结材料,掺入细砂及相关添加剂,按专业配方混合后，通过专用设备混合喷射浇注在相应的尺寸的模具中成型,其设备的工作原理见图一。

压缩空气驱动风动马达时,玻纤无捻粗砂纤维由输送管进入切割腔被主动辊轮上的刀片切断，在高压空气作用下,将切好的约2cm左右的玻纤段通过喷嘴射出去,与此同时,机座上的另一处设有水泥砂浆喷枪,由水泥挤压泵将水泥砂浆输送到喷头内,在高压空气作用下喷出并在空气中雾化,两个喷嘴之间形成一

　　定夹角,使水泥砂浆和玻纤段在空间均匀混掺,进入所需的模具中成型,在混掺玻纤的水泥砂浆未固化之前用瓦工的抹子反复刮平,紧压其表面,直至初步固化成型（一般在25分钟以内）。

水泥固化过程是放热化学反映,夏季气温高于30℃以上情况下可在表面洒水保养,冬季温度较低,初凝时间较长,可加入速凝剂等化工原料或采用移动式火炉烘烤,提高环境温度加速固化，在成型保养过程中采用塑料膜敷盖保温,经过10～12小时可脱模.此时其强度比较低,但完全可以进行整体的搭建施工,真正达到指标强度要6～7天时间。

室温低于3℃不易进行GRC材料浇注作业。

图3GRC浇注喷射原理图

　　３关于非金属箱体强度可靠性理论的引述和分析

GRC复合材料其主要成分是特种快干水泥，骨料为细砂，增强材料为耐碱玻璃纤维，在箱体制造时又在GRC复合材料的混凝土中增放钢筋骨架，其骨架与结构联结用的预埋件相焊接，其墙板横梁中的骨架及预埋铁见图4、图5。

顶盖中的钢筋骨架及预埋铁见图6。

图4墙板钢筋骨架GRC复合材料

图5横梁钢筋骨架GRC复合材料

图6顶盖钢筋骨架

图7钢筋混凝土受力示意图

　　4非金属箱体的空间刚度

　　箱变箱体强度除决定选材规格、材质外，还与施工中底架和墙板、顶盖等整体牢固结合可靠有关。

箱体实际受力是一个整体搭建的可移动房屋，当箱体在载荷如风，运输中速度和加速度冲击作用下，力不仅在纵墙和屋盖组成的平面内传递，而且还通过屋盖平面和横墙（山墙）平面进行传递，形成箱体空间上的内力传播分布的空间工作状态，由箱体的整体刚度，即空间刚度来确保箱体受外力情况下的安全。

房屋空间受力体系的强度，建筑学称之为空间刚度。

在搭建箱体的施工中，各构件之间互相支撑和约束，大大增加了整体强度和刚度。

所以非金属箱体的强度不存在质疑。

本文提出的受力分析，仅供同行参考。

　　5箱体应用中存在的问题及解决措施

　　非金属箱式变电站在国内制造应用已经十余年。

笔者所经历的制造最大尺寸的非金属箱体外型尺寸为长10ｍ，宽4ｍ，高2.5ｍ，平顶。

箱变在苏州组装后，整体重量达30余吨。

采用2台25吨汽吊同时起吊装车运往天津南开大学。

目前运行中。

欧式尖顶长9.5ｍ，宽3.6ｍ（加檐宽后3.9ｍ），高3ｍ，由苏州运往河南。

以上均采取20号槽钢制造底架。

苏州每年生产5000多台非金属箱变箱体，极少因为箱体强度发生质量问题。

发生在2004年1台外型尺寸为4200×2300×2300，变压器容量为400kVA非金属箱变由深圳运往外地客户后出现墙体裂纹，用户拒收。

运回深圳后，经检查，外观墙体开裂，顶盖折断，内部隔室板变形损坏，箱体变形，门脱落，钢制底架可见弯曲变形。

但内部电器装置、变压器、高低压柜等未造成破坏性损失。

箱体和箱变制造厂家双方分析认为：

主要原因是箱变箱体底架选用12号槽钢规格偏小，设计起重支点偏外，增大了弯矩，造成底架刚度不足，另外，箱体的GRC材料也存在由于低碱快干水泥的质量问题，造成墙板、顶盖等质地疏松现象。

使得整体的箱体强度下降和刚度不足。

在运输起吊中受力引起变形，而导致质量事故。

经初步以静载荷计算钢制底架弯曲挠度在10m/m以上，由于起吊中存在的冲击载荷不可避免对箱体强度、刚度都是有影响的。

但这样事故极其少见。

另一方面，近年来，由于非金属箱体市场需求量较大，在市场驱动下，各地先后上马制造非金属箱体产品，一些单位，对GRC复合材料制造箱体相关技术和工艺掌握有一定距离，选材严肃性不够，对起重运输这些体积大，重量重的箱体的特殊性和危险性认识不足，故出现了一些问题，如箱体出现裂缝，箱体底架与箱体分离等质量问题也有发生。

这些问题大部分都产生在运输过程中。

曾发现箱体与其他货物混装运输中途装卸、换车短拨，装卸时没有专用吊具，使箱体变形，换车后短拨没有充分固定。

另一种是箱体装在车尾，在长途运输后出现裂缝。

运输中突发事件，急刹车破坏的危险性则更大。

据有关公司模拟实验，行车中的加速度达3.2g，其惯性冲击力已达到自重的4.2倍，急刹车则可想而知，由于上述事件的发生使一些用户深表担忧。

但这些事件通过合理安排是可以避免的。

　　建议采取如下措施：

　　为充分说明GRC复合材料制造的箱体强度的可靠性，现从钢筋混凝土强度理论上引述分析加以说明。

　　众所周知混凝土抗压性能好，而钢筋的抗拉强度性能好，若将这两种物理力学性能不同材料有效的结合起来，并使混凝土主要承受压力，而钢筋则主要承受拉力，这就是称之谓钢筋混凝土结构。

两者能够共同有效的工作，它们必须具备如下的必要条件：

　　⑴钢筋与混凝土之间存在着粘结力，能结合在一起，在外力作用下，结构中两种材料协调变形，共同工作。

二者之间存在粘结力是必备条件之一。

两者粘结机理是混凝土与钢筋粘结力由四部分组成：

①混凝土水泥凝胶体与钢筋表面存在的化学胶着力；②钢筋与混凝土接触面存在摩擦力；③钢筋表面粗糙不平的机械咬合力；④建筑钢筋的筋及钢筋骨架的锚固咬合力。

　　⑵相互结合的两种材料的温度线胀系数接近，钢筋1.2×10-5，混凝土（GRC（1.0～1.5）×10-5，当温度变化时，两者间不会产生较大的相对变形。

它们之间存在的粘结力不致因温度变化而遭到破坏，所以温度的线胀系数一致也是相互结合的有利必备条件。

⑶钢筋埋在混凝土中，形成对钢筋保护和固定作用，使其不易生锈，及受压时失稳。

火灾时，不致因钢筋很快软化而导致结构破坏，故钢筋应埋于混凝土中。

　　由于上述有利因素使钢筋与周围的混凝土牢固的粘结在一起，故在外力作用下原由混凝土承受拉力现转为由钢筋来承受，这样受拉钢筋就能有效地约束在外力作用下混凝土开裂的可能，限制了破坏的发生。

当外力大到足以达到钢筋屈服强度时，随着截面受压区混凝土被压坏才能达到破坏状态，由此可见钢筋和混凝土在墙板或顶盖中两种材料强度都得到较为充分的利用，破坏的可能性大大降低。

试验表明钢筋混凝土的粘结强度不与其抗压强度成正比，而是与混凝土的抗拉强度大致成线性关系，在GRC复合材料中的增强玻纤，除提高了其抗拉和抗折强度，同时也增加GRC韧性和钢筋混凝土粘结强度，有利于非金属箱体在运输中抗御振动和冲击外力。

在用GRC材料制造的墙板和顶盖等构件中配置的纵横钢筋骨架及预埋铁在混凝土中形成机械锚固作用，从而达到提高抗弯、抗拉强度。

实践证明：

箱体强度完全可以能够

　　承受汽车运输的震动和抖动破坏力。

据苏州有关物流公司对50t、30t重物实际模拟行车试验，走高速公路、普通公路、颠簸道路、过桥等，通过冲击加速度记录仪监测最大的冲击加速度为3.2g。

以上说明GRC复合材料制造的非金属箱体强度是能够满足应用和相关的技术要求。

　　实践中我们在GRC材料施工上，强调使用专用设备喷浇工艺的重要性，喷浇使混凝土与钢筋无间隙接触，不留空隙，达到混凝土与钢筋紧密结合，在喷浇时不留间隙，间接增大了两者的接触面积，从而达到提高粘结力，喷浇时雾状混凝土使建筑罗纹钢上的月牙肋和高肋当中也会充满混凝土，增加了钢筋的锚固力。

当钢筋受力时，其抗力是由粘结四个力组成，但主要是由钢筋表面突出的筋、月牙肋、高肋等对混凝土的挤压力和摩擦力承受。

　　见钢筋混凝土受力示意图在截荷力P作用下，产生的斜向挤压力的轴向分力使肋间混凝土像悬臂环梁那样受弯、受剪，而径向分力使钢筋周围的混凝土受到内压力，故而在环内产生拉应力，当P增加到肋前混凝土被压碎，产生相对滑移，直至肋前混凝土被压碎或剪断，才会发生破坏。

所以在采用GRC材料制造非金属箱体施工中，坚持必要喷浇技术措施，才能达到有效保证墙板、顶盖、横梁等的GRC钢筋混凝土结构的强度要求。

施工中另一种作法：

是在凝固初期人工用瓦工抹子反复紧压表面，一方面是整形，保持墙板、顶盖原度尺寸均匀，更重要是使混凝土与钢筋、玻纤之间接触更为紧密，也是提高粘结结合力措施，最后达到确保GRC复合材料非金属箱变强度的可靠性。

　首先对长途运输的非金属箱体及其他户外电气柜体时，特别要重视路况优劣，在运输路程超过1000km以上时，要注意装车位置，尽可能将箱变装载靠近车头减少振动和颠簸，并防止中途换车短拨。

　　其次在制造箱体时增加底架、墙板、顶盖联结牢度，增加空间刚度。

并采取相应工艺措施在保证顶盖强度基础上减轻其重量。

　　最后在选用底架槽钢时，尽量采用国家正标型钢。

槽钢在采购市场上，有正标、中标和非标三种，中标、非标槽钢在外形尺寸与正标相同情况下，每根重量减少17~24%和33%，故使用非正标槽钢会在一定程度上影响强度和刚度。

　　6万无一失的新箱体结构?

?

骨架式非金属箱体

　　由于运输起吊过程中，出现一些质量问题，特别运输路线较长，路况不佳等情况，用户需要一种更为可靠的箱体结构，为此苏州爱信公司在近一年来向用户推荐一种新型的、万无一失的新箱体结构?

骨架式非金属箱体，经多处用户使用，如广州、深圳一些企业非常欢迎，打消他们在承接用户路程较远和偏远地区运输的担忧，骨架式非金属箱体由于其结构的整体性，完全是由钢制底架与骨架相联，浑然一体。

在任何情况下都不会发生墙体开裂脱离现象，其外观完全与非金属箱体相同，其特性完全保持非金属箱体的优点。

另外骨架式非金属箱体还可以制作成分体拼装式，以解决运输中超高，超宽及道路狭窄整个箱体无法进入现场安装等问题。

例如：

苏州供电公司木渎供电所为改善街巷内供电状况在木渎西街书巷内放置三台外型尺寸3200×2000×2300（m/m）箱式变电站，但其中一台因街巷只有1.8m宽而无法进入安装地点，采用骨架拼装式箱体解决这一难题，另例：

上海35kV非金属外型尺寸为7×6.2×4.7m，超高、超宽箱体也是通过骨架拼装式结构解决这一难题。