核電站超大環形非能動水箱型鋼支撐體系施工技術*

張 強，汪宇雄，劉 軍，李 求，劉 康

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

0 引言

非能動水箱在施工過程中，受設計結構樣式、支撐高度、施工環境、預引入設備擠占大量空間等因素影響，采用大量承載力較大的鋼結構支撐體系。水箱底部支撐體系諸多荷載中僅混凝土恒荷載可達105kN/m2，采用工藝較成熟的落地式型鋼支撐，該支撐隨結構沿環向布置于安全廠房、燃料廠房屋面頂板上，具有承載能力大、搭設高度高等特點，在核電建設中較少見。該鋼結構支撐體系除考慮承載能力問題外，還需解決現場安拆便利、標高可調等問題，提高不同環境下的適應能力，可作為類似支撐的參考和示范。

1 工程概況

水箱外徑為30 600mm，懸掛于外安全殼外側,根據底板標高情況，分為標準段和下沉段。水箱底板底標高為37.200，44.500m，板厚800mm；頂板頂標高為53.000m，板厚800mm；水箱外側為600mm厚混凝土墻體，墻體凈高6 900，14 200mm。水箱內部凈空寬3 000mm，且設有20道隔墻，隔墻厚1 150mm，水箱內部隔墻與隔墻間設有不銹鋼覆面。

由于下沉段不銹鋼采用后貼工藝，施工工期較長，因此考慮在安全廠房BSA，BSB 27.800m屋面施工完成后，即開始搭設支撐施工下沉段底板及墻體，以便有充足的時間后貼。

2 支撐體系

2.1 立桿基礎

鋼結構支撐體系需搭設在周邊廠房屋面，半徑為27.0～30.6m，覆蓋燃料廠房BFX 26.200，26.300，30.000m等部分屋面和BFX 39.400m北側墻體區域，及安全廠房BSA，BSB 27.8m，27.8m和BSC 31.600m部分屋面，該覆蓋區域周邊廠房屋面混凝土強度等級為C50。ASP水箱所在反應堆廠房及周邊廠房底部為一整塊公用筏板基礎，可保證支撐體系覆蓋區域不會發生不均勻沉降。ASP水箱結構剖面如圖1所示。

圖1 ASP水箱結構剖面

2.2 支撐體系設計

2.2.1荷載計算

根據施工部署，ASP水箱結構施工分2個階段：①ASP水箱底板施工；②ASP水箱上部墻體及頂板結構施工。水箱結構荷載計算參數選取如下。

1)鋼柱 需考慮支架自重、水箱底板自重、不銹鋼模塊自重(水箱下沉段鋼柱不考慮該荷載)、第1層墻體自重、墻體模板自重、施工活荷載。

2)標準段底模及鋼梁 需考慮底模及鋼梁自重、水箱底板自重、不銹鋼模塊自重(水箱下沉段底模及鋼梁不考慮該荷載)、施工活荷載，具體荷載為:支撐架底模自重G1k=0.35kN/m2；ASP水箱底板自重G2k=26.99kN/m2；不銹鋼水箱自重G3k≈15kN/m2；外環墻第1層墻體(3.4m)自重G4k=120kN/m2；隔墻第1層墻體(3.4m)自重G5k=89kN/m2；外環墻首層墻體施工時模板荷載G6k=4.82kN/m；外環墻首層墻體施工時掛架荷載G7k=7.5kN/m；施工人員及設備荷載標準值Q1k=4kN/m2；底板混凝土振搗產生的荷載標準值Q2k=2kN/m2。

支撐設計時，按1.3倍恒荷載+1.5倍活荷載進行荷載組合，采用3D3SV14.1，選取具有代表性的幾個位置進行建模計算。

2.2.2材料參數

1)模板面板 厚18mm，剪切強度1.4N/mm2，抗彎強度14.0N/mm2，彈性模量4 000N/mm2。

2)100mm×100mm矩形木方 抗彎強度設計值[f]=13.0N/mm2，截面慣性矩I=833.333cm4，彈性模量E=9 000N/mm2，截面抵抗矩W=166.667cm3。

3)I16 抗彎強度設計值[f]=205N/mm2，截面慣性矩I=1 130cm4，彈性模量E=2.05×105N/mm2，截面抵抗矩W=141.25cm3。

4)HW250×250型鋼 熱軋H型鋼，截面高250mm，翼緣寬250mm，腹板厚9mm，翼緣厚14mm，圓角R=13mm，抗彎強度設計值[f]= 205N/mm2，截面慣性矩I=10 689cm4，彈性模量E=2.05×105N/mm2，截面抵抗矩W=855cm3。

5)HW300×300型鋼 熱軋H型鋼，截面高300mm，翼緣寬300mm，腹板厚10mm，翼緣厚15mm，圓角R=13mm，抗彎強度設計值[f]= 205N/mm2，截面慣性矩I=20 010 cm4，彈性模量E=2.05×105N/mm2，截面抵抗矩W=1 334cm3。

6)HW350×350型鋼 熱軋H型鋼，截面高350mm，翼緣寬350mm，腹板厚12mm，翼緣厚19mm，圓角R=13mm，抗彎強度設計值[f]=205N/mm2，截面慣性矩I=39 637cm4，彈性模量E=2.05×105N/mm2，截面抵抗矩W=2 264cm3。

7)HW400×400型鋼 熱軋H型鋼，截面高400mm，翼緣寬400mm，腹板厚13mm，翼緣厚21mm，圓角R=22mm，抗彎強度設計值[f]= 205N/mm2，截面慣性矩I=66 455cm4，彈性模量E=2.05×105N/mm2，截面抵抗矩W=3 322cm3。

8)φ76×3鋼管 抗彎強度設計值[f]= 205N/mm2，截面慣性矩I=45cm4，彈性模量E=2.05×105N/mm2，截面抵抗矩W=12cm3。

9)φ219×8鋼管 抗彎強度設計值[f]= 205N/mm2，截面慣性矩I=2 955cm4，彈性模量E=2.05×105N/mm2，截面抵抗矩W=269cm3。

2.2.3計算模型及結果分析

非能動水箱底部型鋼支撐模型如圖2所示。

圖2 非能動水箱底部型鋼支撐模型

按ASP水箱的荷載和支撐體系結構，取下層段、標準段、設備間3個代表區域小單元進行計算。根據ASP水箱施工工序，分2步計算：①只考慮底板混凝土澆筑荷載，驗算環向I16鋼梁強度能否滿足要求；②考慮水箱底板自重、不銹鋼水箱自重、第1層環墻和隔墻自重、施工荷載等，驗算整個支撐體系。

利用有限元軟件進行驗算，支撐體系經優化采用φ219×8鋼管作為支撐立柱，HW250×250型鋼作為主梁，I16作為次梁，設備間門式支撐兩側立柱采用HW350×350型鋼，鋼柱間通過φ76×3鋼管連接桿連接形成整體。計算結果如下。

1)下層段 根據第2步計算分析模型，進行規范檢驗，結果如圖3所示。最大應力比為1.83，應力比>1的均為環向I16鋼梁。底板施工時，已計算環向I16鋼梁應力比為0.57，強度符合要求。第1層墻體施工時，現場考慮底板已達到強度，環向I16鋼梁不參與強度驗算，僅計算鋼柱、主梁和連接桿件，其最大應力比為0.67，最大位移最大為4.1mm，滿足設計要求。

圖3 下層段驗算結果

2)標準段 根據第2步計算分析模型，進行規范檢驗，結果如圖4所示。最大應力比為1.64，應力比>1的均為環向I16鋼梁。底板施工時，已計算環向I16鋼梁應力比為0.76，強度符合要求。第1層墻體施工時，現場考慮底板已達到強度，環向I16鋼梁不參與強度驗算，僅計算鋼柱、主梁和連接桿件；其最大應力比為0.82，最大位移為7.7mm，滿足設計要求。

圖4 標準段驗算結果

3)設備間段 根據第2步計算分析模型，進行規范檢驗，結果如圖5所示。最大應力比為0.9，應力比>1的均為環向I16鋼梁。底板施工時，已計算環向I16鋼梁應力比為0.38，強度符合要求。第1層墻體施工時，現場考慮底板已達到強度，環向I16鋼梁不參與強度驗算，僅計算鋼柱、主梁和連接桿件；其最大應力比為0.62，位最大移為6.1mm，滿足設計要求。

圖5 設備間段驗算結果

2.2.4主要節點設計

1)頂托設計 頂托作為支撐體系上部的可調節部分，參考現場常見的腳手架頂托樣式，通過螺栓進行調節，螺栓上、下端通過法蘭盤進行承壓(見圖6)。中間2個螺母預留一定可調空間。螺栓及法蘭盤強度通過抗壓試驗進行驗證。

圖6 可調頂托樣式

2)支撐鋼柱分層及鋼柱間連接節點設計 支撐整體分為3～4層安裝，鋼柱分層間設法蘭盤，法蘭盤通過6組螺栓連接(見圖7)。鋼柱側面設置連接耳板，連接構件通過耳板將鋼柱連成整體(見圖8)。同時，為匹配環形構造要求，鋼柱側面連接耳板需帶有一定角度。法蘭盤及連接耳板設計在鋼結構設計中較常見，樣式簡單，便于現場加工。同時，采用螺栓連接，可減少現場焊接量，降低安全質量風險。施工過程中，可將加工好的構件運輸至現場后，組裝為若干模塊，進行模塊吊裝，施工便利性。

圖7 鋼管分層連接節點

圖8 鋼管之間耳板連接節點

3)連墻節點設計 利用側面結構混凝土澆筑時的鋼杯進行連墻加固。以方通管或槽鋼+對拉螺栓緊固為支點，支點≥2個，相鄰支點上沿水平方向焊接角鋼，鋼柱通過連墻角鋼與該水平角鋼焊接固定，連墻角鋼通過M16螺栓或焊接與鋼柱耳板固定；連墻角鋼與徑向應呈45°～60°夾角，連墻角鋼、方通或槽鋼等短件材料，可充分使用車間余料加工。連墻節點設計如圖9所示。

圖9 連墻節點設計

3 施工技術要點

3.1 施工重難點

施工重難點分析如下：①最大支撐高度為18.5m，屬于典型高大模板支撐系統，施工存在一定風險；②支撐荷載大 根據設計要求，鋼柱最大支撐荷載需同時考慮水箱底板、不銹鋼模塊及工裝、墻體荷載、立柱頂部支撐荷載，可達30～48.3t；③支撐時間長 根據現場情況，支撐從搭設到拆除預計持續約12個月；④鋼材用量大 根據現有支撐體系，鋼材用量約320t，需大量采購；⑤受周邊廠房工期制約因素影響大；⑥滿堂支撐結構復雜，類型各異，精度要求較高，不方便批量加工，加工難度大，安裝用時長。

3.2 施工流程

施工流程如圖10所示。

圖10 施工流程

3.3 施工控制要點

鋼柱沿水箱外墻及內部隔墻位置布置，其間距沿徑向≤1.4m，沿環向≤2.56m，干涉區和預引入設備區域留設門架單獨考慮。

鋼柱正上方沿徑向安放HW250×250型鋼，并通過螺栓固定，徑向型鋼上沿環向安放I16為底模主龍骨，間距≤470mm。

環向I16鋼梁上鋪設100mm×100mm木方為底模次龍骨，間距≤200mm，次龍骨上方鋪設18mm膠合板為面板。

3.4 支撐體系布置

水箱下部采用φ219×8鋼管進行支撐，燃料廠房標高39.400m北側墻體預埋HW300×300型鋼分擔荷載，具體情況如下。

1)鋼管布置時，充分考慮隔墻及外墻位置，除VDA預引入設備間、水箱下沉段、干涉區域，其余位置鋼柱環向最大間距約2.56m，徑向間距約1.4m，步距≤2.1m(見圖11)，按單根鋼柱設置上、下連墻，連墻豎向間距≤6m。

圖11 支撐布置

2)燃料廠房北側墻體因與周邊屋面(標高26.300m)高差約13.2m，且燃料廠房屋面封頂時間較晚，不適合安裝鋼柱，計劃在該側墻體施工時，預埋HW300×300型鋼柱(見圖12a)；或在墻體安裝埋件，固定型鋼柱，待鋼柱拆除后再施工燃料屋面(見圖12b)。

圖12 燃料廠房北側墻體支撐

3)安全廠房屋面標高為27.800，31.600m，其中BSA，BSB廠房27.800m屋面板設置3個VDA消音器，消音器外防護尺寸為6.5m×4.5m×7.5m，在消音器防護外側搭設門式支撐，門式支撐兩側使用HW350×350型鋼作為立柱，支承于屋面，該立柱頂部安放桁架鋼梁，桁架鋼梁上、下為HW250×250型鋼，斜撐為HW150×150型鋼；門式支撐外側及桁架正上方使用φ219×8鋼管支撐，鋼梁正上方鋼管柱通過螺栓與鋼梁連接。

4)經設計確認，BSA2廠房設備閘門大門采用水平方式引入，ASP水箱下方標高27.800 m屋面未預留二次澆筑區，因此該部位支撐不做特殊考慮。

5)水箱下沉段底板底標高為37.200m，支撐高度為9.4m，提前搭設并充分利用墻體鋼杯設置連墻，待后續標準段支撐搭設后，將支撐體系連成整體，或待結構達到強度后拆除。

6)連墻件 混凝土澆筑前，對支撐體系設置連墻件，現場可根據附墻鋼杯位置，以方通管或槽鋼和對拉螺栓緊固為支點，支點≥2個，相鄰支點上沿水平方向焊接∟75×75×6 水平角鋼，然后鋼柱通過∟75×75×6 連墻角鋼與該水平角鋼焊接固定，連墻角鋼通過M16螺栓與鋼柱耳板連接，或焊接固定；連墻角鋼與徑向應呈45°～60°夾角。

3.5 支撐搭設

支撐搭設具體流程：車間分批加工鋼柱及撐桿→驗收→鋼柱吊裝、單元組裝、同時在屋面測量放線→第1層鋼柱吊裝及固定→檢查并調整第1層鋼柱垂直度→吊裝剩余鋼柱→安裝頂部鋼梁及環梁→支撐頂部測量放線→調平、安裝支撐底模→驗收。

3.5.1鋼柱及撐桿加工與驗收

鋼結構車間根據鋼柱及撐桿加工單制作鋼柱和撐桿。制作完成后，需聯合驗收合格后方能出廠。

3.5.2鋼柱吊裝單元組裝

根據支撐布置，鋼管柱沿徑向3根立柱為1排，環向除特殊布置外，均按間距<2.6m設87排共261根立柱，按不同標高屋面劃分統計，如表1所示。計劃按徑向每排3根立柱為1個單元進行預制組裝，單個區域屋面單獨預制組裝。

表1 鋼柱信息

以安全廠房A2區27.800m標高屋面支架組裝為例，分4層進行組裝。單個吊裝單元組裝需5m×4m的平整場地，現場可多個場地同時組裝；組裝過程中利用塔式起重機或起吊能力≥25t汽車式起重機輔助。現場也可按鋼柱模塊布置圖，根據現場情況，在塔式起重機覆蓋范圍內進行吊裝。

當以2～3排立柱為吊裝單元進行吊裝時，需搭設腳手架進行組裝，單個吊裝單元組裝需8m×4m的平整場地，在場地外圍按2.0m×1.5m×1.8m(縱×橫×步距)搭設雙排腳手架作為組裝操作架，搭設拋撐加固；組裝過程中利用塔式起重機或起吊能力≥25t汽車式起重機輔助鋼柱吊裝單元組裝。

3.5.3測量放線

根據平面布置圖，按不同屋面，放出支撐立柱點位分布，并用于后續鋼柱的安裝固定。周邊廠房屋面施工完成后支架安裝前，現場復核點位是否偏移，屋面是否平整。立柱與周邊廠房有干涉時，可適當調整立柱及斜撐，經技術部確認，以交底、設計圖紙或核定單等形式明確。

3.5.4第1層鋼柱吊裝及調整

第1層鋼柱吊裝，使用規格≥2t的吊帶纏繞在橫梁上或吊耳等起吊點，吊裝時緩慢平穩，即將就位時，施工人員站在屋面，對準螺栓孔，輔助鋼柱就位，并擰入螺栓或使用斜撐與已安裝鋼柱連接，做臨時加固，方可脫鉤。當斜撐的螺栓無法就位時，可進行擴孔或焊接，焊縫單邊長度≥60mm，焊腳高度≥6mm。

使用經緯儀或線錘、卷尺測量鋼柱垂直度，首層宜控制在±10mm，后續支撐安裝完成后，下沉段宜控制在±14mm，標準段宜控制在±18mm。可通過在鋼柱底部加墊1～10mm厚鋼墊板進行調整，檢查應隨吊裝過程進行，吊裝一組則調整一組，調整完成后，及時擰緊螺母。

連續2組鋼柱吊裝完成后，可在橫梁鋪設跳板，作為后續施工人員通道，施工人員安全帶可系掛于鋼柱橫梁、斜桿上或安全繩等可靠安全掛點。

3.5.5剩余鋼柱吊裝

第1層鋼柱安裝完畢后，吊裝剩余鋼柱，分層吊裝(下層螺栓緊固后，方可吊上一層)，相鄰鋼柱高差不宜超過1層；安裝過程參照第1層吊裝；起重機脫鉤時，鋼柱間至少應有2個螺栓連接(螺栓均能滿足其強度要求)；及時安放跳板作為施工人員通道。

由于支撐鋼柱在加工時存在誤差，孔位出現錯位。在這種情況下，先對連接法蘭點焊固定，再脫鉤。后續可對法蘭盤進行擴孔，在長孔上焊接墊板、定位螺栓；墊板厚度≥6mm，角焊縫高度為≥6mm。

3.5.6頂部鋼梁及環梁安裝

當鋼柱安裝完后，使用規格≥2t的吊帶纏繞在鋼梁上或吊耳等起吊點，吊裝鋼梁，試吊平穩后，再進行吊裝，吊裝即將就位時，施工人員輔助鋼柱就位，鋼柱就位后，擰入螺栓，方可脫鉤；起重機脫鉤時，鋼梁至少應有2個螺栓連接。

當鋼梁與鋼柱無法通過螺栓連接時，需在鋼梁兩邊點焊固定，方可脫鉤，兩邊點焊焊縫單邊長度≥15mm，焊腳高度≥6mm；后續在鋼梁兩邊焊接固定，兩邊焊縫的單邊長度≥120mm，焊腳高度≥6mm。

環梁安裝時，至少有1個螺栓作臨時固定，防止其掉落；當螺栓無法連接時，可重新鉆孔或在環梁兩邊焊接固定，兩邊焊縫單邊長度≥60mm，焊腳高度≥6mm。

支撐整體驗收前，焊接部位需補漆，用于調節膨脹螺栓的墊板需與法蘭板焊接。如底部需灌漿，在混凝土澆筑前進行灌漿處理，且保證其在7天時間硬化。由于燃料廠房屋面強度不夠，混凝土澆筑前需回頂，回頂支撐采用RIM ST60塔架或φ48×3.5鋼管。待ASP水箱強度達到要求后與鋼柱一起拆除。

3.5.7水箱標準段底模安裝

鋼柱安裝完成后，輔以標高控制線，安裝調整頂部可調底座，準備鋪設底模；標準段底模支設與外殼15-1層施工時間相關。水箱上部墻體模板安裝與不銹鋼模塊配合安裝。

1)當外殼15-1層混凝土已澆筑時，支撐搭設至板底，再按順序安裝徑向鋼梁、環向鋼梁、徑向木方和底模等。

2)當外殼15-1層混凝土未澆筑時，考慮外殼該層與水箱底板同步施工，施工時先安裝外殼側向及拉鉤鋼筋，封閉外側模板和水箱底板底模，再安裝底板及外殼剩余鋼筋，該情況下根據最新圖紙將底板外殼側彎錨鋼筋向下彎錨。

3.5.8水箱下沉段底模安裝

根據現場情況，外殼混凝土結構已澆筑至43.400m，水箱下沉段板底標高為37.200m，因此底模支設時，無需考慮外殼側墻模板，如圖13所示。

圖13 下沉段底模支撐剖面

3.6 施工通道及操作平臺

3.6.1水箱施工通道

人員上下施工通道布置在水箱外側，為落地式腳手架，距水箱外墻約500mm，尺寸約為1.2m×1.5m×1.8m(縱×橫×步距)，隨鋼柱安裝而搭設，隨鋼柱分層驗收，雙排腳手架外側搭設“之”字形通道，以便人員上下；由于外殼、水箱區域筒體結構同步施工，施工通道共用。水箱外側施工通道布置如圖14所示。

圖14 水箱外側施工通道布置

3.6.2支撐安拆操作平臺

鋼柱支撐內部可直接在鋼柱間橫梁或水平鋼管上鋪設跳板，跳板作為操作平臺，跳板端頭懸臂應≤150mm，施工人員可站在該操作平臺上進行安拆作業，通過外側腳手架行走至操作平臺上。

跳板鋪設并固定后，可供操作使用，鋼柱間無需另搭腳手架供人員站位。

3.7 支撐拆除

根據設計需求，當ASP水箱結構第1層3.4m高墻體達設計強度后，可拆除下部支撐，拆除流程為：降低鋼柱可調頂托螺栓高度→拆除底模及鋼梁→分層拆除鋼柱。

3.7.1底模及鋼梁拆除

1)依次拆除木方、鋼梁、可調頂托等，底模面板根據拆除難易情況，可在木方、鋼梁、可調頂托等拆除前、后拆除。

2)拆除底模前，通過降低柱頂螺栓高度，使與混凝土結構間脫離，形成一個“空腔”，將模板、木方、鋼梁、可調頂托等放置于跳板上，人工轉運至指定位置，或水平移至外操作架，然后通過塔式起重機吊至指定位置。

3.7.2分層拆除鋼柱

鋼柱拆除時，以徑向1排3根鋼柱、單根鋼柱為1個拆除單元，分層拆除，單個拆除單元最重約670kg；使用扁擔梁、電葫蘆、蜘蛛吊等方式將鋼柱拆除；在狹小區域，當吊裝設備無法使用時，可將鋼柱切割成小塊，進行人工拆除。

4 結語

核電站超大環形非能動水箱鋼結構支撐體系大量采用螺栓連接，現場按組裝完成的模塊分層吊裝；大量焊接作業在車間進行，現場焊接量小，同時也可提高支撐材料的周轉率。其頂部可調頂托設計可解決板底拆模空間問題，同時可用于對平整度要求較高的結構進行施工調整控制。該技術的成功應用可為后續類似工程施工提供參考。