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发表时间：2020/10/22   来源：《中国电业》2020年17期   作者：杨艺精 葛凯 李珊 陈建超 郑鹏

[导读] “华龙一号”核电站反应堆厂房内层安全壳预应力系统由竖向倒U形钢束

        杨艺精  葛凯 李珊 陈建超  郑鹏
        中国核工业二四建设有限公司福清核电项目部  
        摘要： “华龙一号”核电站反应堆厂房内层安全壳预应力系统由竖向倒U形钢束和环向钢束组成，传统的单根穿束工艺不能满足倒U形钢束穿束需求，通过对倒U形钢束结构特点、施工环境、工艺流程进行研究，提出了倒U形钢束施工工艺流程、解决了钢绞线布线、连接及牵引设备选择问题，并阐述了其技术措施的可行性。
        关键词： 核电站；预应力；倒U形；整体穿束；
前言
        倒U形预应力钢束穿束应从施工环境、钢束结构特点切入，制定合理的施工工艺、选择合适的设备，解决钢绞线引入、编束及整体牵引问题是有效保证工程开展的关键。
1.工程概况
1.1结构概况
        “华龙一号”核电站内层安全壳为预应力钢筋混凝土结构，其筒体段外半径为24.7m，壁厚1.3m，穹顶段为半球形，外半径24.05m，顶标高为70.48m。预应力系统分为94束经筒体、穹顶并锚固于安全壳底板上的倒U形钢束h锚固在安全壳100°、280°处的两个扶壁柱上呈360°环向布置于筒体及穹顶的环向钢束127束，每束钢束穿入钢绞线55根。
1.2 工程难点
1.2.1钢绞线引入廊道
        倒U形预应力94束钢束的188个锚固点均布在标高-14.7m的预应力廊道（以下简称廊道）顶板上，而廊道为宽3.6m、高2.9m、内半径22.55m的环形空间，如何在有限的空间内将钢绞线快速、有序的送入廊道将决定施工效率。
1.2.2钢绞线连接
        倒U形钢束预埋孔道内径159mm（锚具供应商提供的灌浆连接器最小直径仅127mm），在采用整体牵引方式进行穿束时，需将55根钢绞线连成一个直径不超过127mm的整体，且必须保证牵引过程中在拉力、扭力的作用下连接处不脱开、钢绞线不受破坏。
1.2.3整体牵引
        “华龙一号”倒U形预应力考虑张拉需求钢绞线长度在177.73～199.73m，钢绞线线密度1.178kg/m，一束（55根）钢绞线重量在11.52～12.94t。在摩擦力的影响下所需的牵引力将大于钢绞线的自重力，选择合适的牵引设备将非常关键。
2.倒U形钢束穿束工艺
2.1工艺确定
        倒U形预应力钢束由其结构特性决定了采用穿束机逐根穿入钢绞线的方法不可行，最直接的措施是采用卷扬机进行牵引。而钢绞线牵引需保证钢绞线不受损又高效的送入廊道（布线）。还需将55根钢绞线编成一束并与卷扬机钢丝绳相连接（编束），再使用卷扬机对钢绞线进行牵引。而牵引过程中需将水平的钢绞线引入竖直方向的孔道，因此必须对钢丝绳、钢绞线进行转向。同时，为了保证卷扬机钢丝绳能进入孔道，必须在成孔阶段在孔道内预留先导索。
        根据以上分析，整个流程可分为步骤1：布线→编束→钢绞线牵出布线管；步骤2：钢绞线转向滑轮就位→先导索置换钢丝绳；当以上步骤均完成后方可进行整体牵引。从施工逻辑上布线与钢丝绳置换互不干涉。
2.3布线管
        由于钢绞线需求长度在177.73～199.73m，根据钢绞线越长柔性越大的特性，为方便后续钢绞线连接布线管长度应小于待穿钢绞线长度6m以上，超出布线管的钢绞线则在采取保护措施后直接放置于地面。同时，为避免反复拆装布线管，选择按最短孔道设置布线管，即布线管长度在172m以内，廊道内墙半径为22.55m，因此布线管需绕廊道约1.2圈。为了方便钢绞线穿入布线管，将穿束机、布线管入口均放置在靠近廊道入口处。
2.4编束
2.4.1钢绞线编束
        由于需将55根钢绞线连成一个直径不超过127mm的整体，且必须保证牵引过程中在拉力、扭力等力的作用下连接处不脱开、钢绞线不受破坏。
        经分析，钢绞线中心丝直径约为5.4mm，抗拉强度为1860MPa，经计算钢绞线中心丝能承受最大拉力为42.6KN。将钢绞线中心丝穿入一块带55个孔的钢板（以下简称编束板）上某一孔，再将中心丝端部镦粗为圆球体，以达到将钢绞线编成一个整体的目的。假设钢绞线端部圆球与编束板上小孔全贴合，经计算最小抗剪力，最小抗挤压力61.3KN；而最长的钢绞线为200m，其单根自重仅为2.4KN，牵引时受力5.7KN其抗剪强度远大于钢绞线受力，因此采取将钢绞线中心丝镦粗锚固编束板上以可满足使用要求。
2.4.2钢绞线保护
        镦粗中心丝编束的方法需将钢绞线的6根边丝切除，在边丝切除后将中心丝形成错台，钢绞线在牵引入的过程中该错台存在与导管接缝刮蹭的风险，有概率导致钢绞线受损，因此必须消除错台，而最直接的措施为钢绞线套上一个锥形金属保护帽，为避免保护帽将钢绞线束截面积增大，钢绞线存在挤压受损风险，保护帽应错位布置。
3牵引设备选择
        钢绞线牵引共涉及两次，第一次是将钢绞线从编束位置牵引至待穿束孔道附近，第二次是将钢绞线牵引进入孔道。牵引时钢绞线最大重量约13t，且钢绞线在牵引过程中将受到孔道内的摩擦力影响，将导致牵引力大于钢绞线自重，因此必须计算所需的牵引力。
3.1整体牵引设备
        根据倒U形孔道构造特点，钢绞线牵引入孔道后牵引力逐渐增大，当钢绞线端部通过穹顶后，此时摩擦力在变大，但两段钢绞线自重将逐渐抵消，当钢绞线全部进入孔道后，摩擦力达到最大，而两段钢绞线的重力已相互抵消（如两端钢绞线长度一致）。由于整个牵引过程摩擦力在持续增大、钢绞线自重先增大后减小、牵引力随摩擦力及钢绞线的自重在变化，整个牵引过程受力状态非常复杂，为简化计算作如下假设：
        （1）假设钢束的曲线段全集中在倒U形孔道一侧，即摩擦力全由此段孔道产生；
        （2）曲线段最多的孔道长度最长；
        （3）孔道以最高点为分界，两段长度一致；
        （4）进入孔道中钢绞线的自重集中在钢绞线末端。
        根据以上假设，钢绞线进入孔道后在自重作用下处于紧绷状态，与预应力张拉时状态一致，可参照预应力损失值计算公式计算牵引力。根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010,预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失值公式:
  较长时间，此时情况与设计模型一致，可根据设计文件取0.18rad-1。
       均每根钢绞线受到拉力5.7KN。因此，采用32t卷扬机能满足倒U钢束整体牵引需求，但由于计算时未考虑牵引头与导管接缝的刮蹭、钢丝绳在孔道内的摩擦及钢丝绳与滑轮的摩擦，因此适当放大卷扬机吨位，最终选择了35t液压式卷扬机。
        但在施工过程中发现，在牵引时卷扬机油泵压力会突然接近或达到最大值，当牵引一定距离或由穹顶向孔道中注入水溶性油后压力下降明显。同时，当牵引完成后，在钢绞线出口端发现大量锈渣、有明显刮蹭痕迹的细金属丝，且牵引头上有明显的刮痕，此情况表明孔道锈蚀情况及牵引头与导管接缝的刮蹭对牵引力影响较大。因此在倒U形孔道成孔阶段应特别注意导管接头处理，穿束前应先对孔道进行除锈处理。
3.2钢绞线引出布线管牵引设备