某核電站SC結(jié)構(gòu)自密實混凝土施工工藝研究

孫美娟，張?zhí)普伲铝?/p>

（1.中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司核電事業(yè)部，江蘇 南京 210019；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

某核電站的屏蔽廠房是核電站抵抗內(nèi)外部事故最重要的構(gòu)筑物之一，設(shè)計上首次采用了鋼板混凝土（SC）結(jié)構(gòu)的屏蔽廠房是非能動系統(tǒng)一部分。因為國外SC結(jié)構(gòu)的施工尚在摸索建造過程中，國內(nèi)亦無成熟建造技術(shù)可供借鑒，所以SC結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性與高精度指標使得其在建造過程中存在若干重大問題有待解決，而國內(nèi)外目前掌握的類似結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)與施工經(jīng)驗難以有效滿足SC結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量指標要求以實現(xiàn)其設(shè)計的安全功能。因此，有必要開展SC結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的系統(tǒng)性研究，開發(fā)SC結(jié)構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)并在示范工程中應(yīng)用和驗證，既填補了SC結(jié)構(gòu)施工技術(shù)的空白，完善大型先進壓水堆核電站建造技術(shù)體系，也是我國核電“走出去”的技術(shù)保障之一。

1 SC結(jié)構(gòu)簡介

某核電站的安全性、可靠性和經(jīng)濟性與屏蔽廠房息息相關(guān)，屏蔽廠房具有防輻射、防撞擊、抵御惡劣天氣和不良地震等功能，是核電站抵抗內(nèi)外部事故最重要的構(gòu)筑物之一，自“9·11”事件后，核電站抵御飛機撞擊的問題已成為新建核電廠安全評審的一項重要內(nèi)容。

現(xiàn)有各種堆型的核電站在具有類似功能和結(jié)構(gòu)的安全殼或安全廠房的設(shè)計上，均采用鋼筋混凝土或內(nèi)襯鋼襯里的混凝土結(jié)構(gòu)，建造技術(shù)日趨成熟和完善；為了進一步提高反應(yīng)堆廠房抵抗內(nèi)外部事故的能力，我國在AP1000核電技術(shù)的基礎(chǔ)上進行再創(chuàng)新，將某核電站屏蔽廠房包圍鋼制安全殼的屏蔽墻設(shè)計為鋼板混凝土結(jié)構(gòu)（SC結(jié)構(gòu)）。SC結(jié)構(gòu)為弧形雙層鋼面板結(jié)構(gòu)，筒體厚度1.1m，外徑23.985m，周長150.7m，內(nèi)徑22.885m，周長143.9m,高度57.246m。主要鋼板為20mm、25mm、40mm厚的Q345B，總重約3656t。結(jié)構(gòu)分為水平連接和豎向連接，連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜。內(nèi)部設(shè)置拉結(jié)筋、焊釘、加勁板、支撐板等，澆筑自密實混凝土，每一層混凝土澆筑高度6m，設(shè)計文件要求混凝土側(cè)壓力不大于50kPa。

2 分層澆筑工藝

由于混凝土自由下落高度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的模型試驗結(jié)果確定，需進行SC結(jié)構(gòu)自密實混凝土自由下落高度的研究。同時現(xiàn)有自密實混凝土配合比報告顯示：M型實驗室性能指標數(shù)據(jù)（室外：初凝670min，終凝820min。室內(nèi)：初凝840min，終凝1180min）。混凝土性能指標設(shè)計及規(guī)范要求：入模溫度為26℃；含氣量為5.0±1.5；坍落擴展度為700mm±50mm。另外，需開展自密實混凝土澆筑工藝研究，如室外環(huán)境下的初凝、終凝時間、自密實混凝土的流動性等。為后續(xù)澆筑方式、澆筑速度、施工設(shè)備選擇奠定基礎(chǔ)。

在SC結(jié)構(gòu)水平連接區(qū)及下部基礎(chǔ)模擬試驗混凝土澆筑施工過程中，對M型混凝土進行檢測，混凝土每罐車合格率為92.3%。自密實混凝土分層澆筑，每層高度約為400mm。混凝土布料點設(shè)置3個位置，同時為確保M型與D型混凝土接縫混凝土施工質(zhì)量，以防M型從300mm錯臺處遺漏，M型必須在D型混凝土初凝前澆筑，它們澆筑的間隔時間約為7h。

通過現(xiàn)場實際試驗數(shù)據(jù)可知，自密實混凝土最大流動距離為14.5m，最小流動距離9.0m，每層澆筑時間約為1.0h。SC結(jié)構(gòu)豎向施工縫采用鐵絲網(wǎng)模板，由于自密實混凝土骨料較小，灰漿較多，混凝土施工時灰漿會通過鐵絲網(wǎng)外露，既影響混凝土質(zhì)量又影響施工環(huán)境，現(xiàn)場采用土工布進行二次覆蓋封堵，可大量減少灰漿外漏現(xiàn)象。

3 鋼板最大允許側(cè)壓力

簡化計算模型，自密實混凝土側(cè)壓力按照液壓計算公式計算，得出自密實混凝土的澆筑高度為2.1m時，混凝土側(cè)壓力達到50kPa。但2.1m的混凝土澆筑高度，給現(xiàn)場帶來的直接影響就是造成混凝土澆筑速度緩慢、效率低下。計劃通過有限元分析計算SC結(jié)構(gòu)能夠抵抗的最大流動混凝土側(cè)壓力，進行模擬試驗，開發(fā)應(yīng)力和變形測量系統(tǒng)。并對混凝土澆筑不同階段SC結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形進行實時監(jiān)測，試驗結(jié)果與分析結(jié)果進行對比，得出自密實混凝土一次澆筑最大高度限值和鋼板最大允許側(cè)壓力。通過兩次試驗，模擬不同部位及工況下混凝土的施工，驗證混凝土側(cè)壓力對SC結(jié)構(gòu)變形影響、澆筑高度與側(cè)壓力的相互關(guān)系，驗證澆筑工藝的可行性，為后續(xù)SC結(jié)構(gòu)混凝土施工提供指導(dǎo)。

3.1 SC結(jié)構(gòu)模擬試驗豎向連接區(qū)及非連接區(qū)1自密實混凝土施工

此次自密實混凝土澆筑時間為9.5h,其中每罐車混凝土檢驗需要0.5h,整體混凝土澆筑符合預(yù)期要求。根據(jù)前期混凝土應(yīng)力計算分析所得的應(yīng)力分布規(guī)律及數(shù)據(jù)，位移、應(yīng)力及溫度監(jiān)測測點布置說明如下。

（1）位移傳感器布置在鋼板兩側(cè)位置，共計12個，如圖1所示。混凝土澆筑前安裝12組鋼板位移傳感器，分別監(jiān)測鋼筋應(yīng)力達到32.24MPa時現(xiàn)場SC模塊的位移偏差，并監(jiān)測澆筑高度分別在2m、3m、4m、5m、6m的鋼板位移情況，實測鋼板最大位移為1.8041mm。

（2）鋼筋應(yīng)力計共計14根。測點編號及布置如下圖2所示。

圖1 位移傳感器布置示意圖（單位：mm）

圖2 應(yīng)力傳感器布置示意圖（單位：mm）

混凝土澆筑前安裝14組鋼筋應(yīng)力傳感器，分別監(jiān)測鋼筋應(yīng)力達到32.24MPa（按設(shè)計側(cè)壓力50MPa計算）時現(xiàn)場混凝土的布料高度，根據(jù)現(xiàn)場試驗概況，混凝土布料高度達到6m時，鋼筋應(yīng)力并未達到32.24MPa；現(xiàn)場分別在布料高度為2m、3m、4m、5m、6m時對鋼筋應(yīng)力進行了監(jiān)測，其中鋼筋最大應(yīng)力為30.4983MPa。溫度測點布置遵循如下原則：同位置鋼筋應(yīng)力計附近布置一個溫度測點，以對鋼筋應(yīng)力計測得的鋼筋應(yīng)力進行溫度修正。

在此次試驗中，溫升值大約在25℃，溫升較大，故不能忽略溫度對應(yīng)變的影響，需要進行溫度修正。其中，為了得到一個完整的溫度場分布，選擇在G2-1鋼筋應(yīng)力計的內(nèi)、中、外各布置一個溫度測點，測點共計14個。自密實混凝土澆筑至6m時，應(yīng)力讀數(shù)未達到根據(jù)設(shè)計要求的靜壓力，G7點最大值為47.56kPa，小于50kPa（G7點最大變形為2.5mm）；自混凝土澆筑完成連續(xù)讀數(shù)至澆筑完成后16h，除個別點外，均已從受拉狀態(tài)回彈為受壓且數(shù)據(jù)遠小于設(shè)計允許值。根據(jù)此次澆筑初步分析，SC結(jié)構(gòu)連續(xù)澆筑6m，靜壓力值不會超過設(shè)計要求。

3.2 SC結(jié)構(gòu)模擬試驗非連接區(qū)2自密實混凝土施工

此次自密實混凝土澆筑時間為7.3h，其中，前兩罐車混凝土檢驗每次需要0.5h，整體混凝土澆筑符合預(yù)期要求。對每罐車混凝土進行性能檢驗，合格率為100%。與SC結(jié)構(gòu)模擬試驗豎向連接區(qū)及非連接區(qū)1自密實混凝土施工對比，調(diào)整位移傳感器布置在鋼板兩側(cè)位置，共計8個。監(jiān)測結(jié)果顯示：在混凝土澆筑期間，各測點位移逐步增大，SC結(jié)構(gòu)模擬件整體呈現(xiàn)出向外逐步膨脹的狀態(tài)；位移最大點出現(xiàn)在S4-2位移測點，最大值為2.45mm，小于6mm，滿足設(shè)計要求。

鋼筋應(yīng)力計替換原有拉結(jié)筋，共計9根。同位置鋼筋應(yīng)力計附近布置一個溫度測點，以對鋼筋應(yīng)力計測得的鋼筋應(yīng)力進行溫度修正。在G2-2鋼筋應(yīng)力計的內(nèi)、中、外各布置一個溫度測點，構(gòu)成完整溫度場分布，測點共計11個。監(jiān)測結(jié)果顯示：同等高度處的測點鋼筋應(yīng)力變化規(guī)律基本一致；澆筑高度約為4.8m時出現(xiàn)鋼筋應(yīng)力最大值，最大值為34.78N/mm2，大于允許應(yīng)力值。

3.3 后續(xù)施工建議

（1）根據(jù)側(cè)壓力要求，混凝土澆筑高度控制在2m，根據(jù)混凝土初凝時間10h，澆筑速度按0.4m/h計算，在下側(cè)2m混凝土澆筑后，間隔6～8h后進行上側(cè)2m混凝土施工，依次往復(fù)，直至混凝土施工完畢；（2）自密實混凝土最大水平澆筑距離一般不宜超過7m，混凝土澆筑前布置時，間距控制在5m左右。

4 結(jié)論

通過兩次試驗，模擬不同部位及工況下混凝土的施工，驗證混凝土側(cè)壓力對SC結(jié)構(gòu)變形影響、澆筑高度與側(cè)壓力的相互關(guān)系，驗證澆筑工藝的可行性，結(jié)論如下：（1）在混凝土澆筑及后續(xù)監(jiān)測期間，未出現(xiàn)鋼筋焊點開裂等現(xiàn)象，拉結(jié)筋拉應(yīng)力低于屈服強度，拉結(jié)筋未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。（2）位移最大點出現(xiàn)在高度4m處外側(cè)，其最大值為2.45mm，小于6mm公差要求，滿足設(shè)計要求。（3）鋼筋應(yīng)力最大點出現(xiàn)在G4-1鋼筋應(yīng)力計測點，于澆筑完成時出現(xiàn)，此時澆筑高度約為4.8m；最大鋼筋應(yīng)力大于允許應(yīng)力值，但經(jīng)后續(xù)的鋼板剝離和混凝土切割檢驗發(fā)現(xiàn)，對內(nèi)部質(zhì)量并無影響，是否能突破設(shè)計限值，還需進一步研究。