“華龍一號”鋼筋籠模塊化機械連接施工技術的研究與應用

宋金鎮，呂孟君，姜震

（中國核工業二四建設有限公司 漳州核電項目部，福建 漳州 363300）

0 引言

核工程的鋼筋施工主要采用機械套筒進行連接，近年來，核工程對機械套筒連接方式提出了更高的要求。此外，隨著我國人口紅利的消退，勞動力成本升高，模塊化施工逐漸成為核電建造的發展趨勢，傳統的鋼筋連接方式已不能滿足核電模塊化施工的需求。在鋼筋施工過程中，鋼筋籠吊裝就位后采用機械套筒連接，但在吊裝過程中受吊裝變形及預制誤差等因素的影響，需要連接的鋼筋存在一定的偏心與間隙，無法保證施工質量和效率。以框架柱鋼筋的連接為例，連接鋼筋吊裝到位后，需要保持吊持狀態或由人工輔助支撐，一根鋼筋的連接一般需要2～3人花費5～10min的時間才能完成，連接效率低。“華龍一號”鋼筋的直徑較大，搭接長度近3m，由于長度過長無法采用搭接的方式，而大直徑鋼筋的焊接連接方式操作效率較低，也不宜選用。結合上述情況，宜采用機械連接的方式對接核電鋼筋籠，但現有的機械接頭要求被連接的鋼筋兩端頂緊，而且不同軸的2根鋼筋之間的連接操作較困難，接頭質量難以保證。此外，受豎向鋼筋受埋件、套管、卡規等物項安裝的影響，現場實際鋼筋間距無法按照理論值分布，而鋼筋籠屬于提前預制，無法預測現場豎向鋼筋的實際間距，只能完全按照理論間距進行預制。縱觀國內外鋼筋接頭技術發展現狀，國外工業發達國家如德國、美國、法國、日本、英國等在20世紀70年代就開始發展鋼筋機械連接技術，各種機械接頭相繼出現，技術趨于成熟［1］。我國因機械工業起步慢，對新型機械連接接頭的研發仍處于探索階段。近年來，國內開始大量出現相關研究，魏克等［2］針對大直徑鋼筋機械連接困難的問題，提出套筒擠壓和錐螺紋連接2種方法；在大型鋼筋籠模塊化施工領域，龍立敦等［3］驗證了加長套筒在鋼筋籠對接方面的可操作性。究其問題根源，并結合前人研究成果，要實現大直徑鋼筋、大尺寸鋼筋籠的吊裝就位，要先解決鋼筋籠對接無法規避的軸向和徑向偏差的問題。本文提出采用大容差鋼筋機械接頭，實現豎向鋼筋與施工現場預留的鋼筋間、模塊與模塊間的精確對接，該對接方式可保證核工程建造質量，提高核電工業化水平，是實現模塊化施工的關鍵。

1 研究思路

“華龍一號”是以大體積混凝土施工為特點的核電工程，由于“華龍一號”堆型安全系數要求高、鋼筋量巨大，所以采用傳統模塊化施工的鋼筋機械連接模式已不能適應批量化建設的需求。漳州核電工程對鋼筋籠模塊化施工進行了多次論證，例如內部結構SG2鋼筋籠模塊化、2SL直墻鋼筋籠模塊化，而針對接頭連接的問題一直是阻礙模塊化批量實施的關鍵。因此，必須深入研究鋼筋機械連接方式，以便后續大力推進鋼筋模塊化的批量應用。鋼筋模塊化施工就是將工程現場施工部位的單根鋼筋經預制組裝成型，再吊裝到施工作業面完成成組鋼筋的連接，即由傳統的逐根鋼筋連接升級為模塊化成組鋼筋連接。使用鋼筋籠模塊化技術，可有效減少現場作業量、提高施工效率與結構質量，而研究與之匹配的可靠的鋼筋機械連接模式是模塊化施工的關鍵。

結合國內外鋼筋機械連接施工技術現狀，經市場調研后決定采用容差較大的鋼筋機械接頭進行筋籠模塊化機械連接，消除鋼筋籠吊裝過程中受吊裝變形及預制產生的誤差，使鋼筋籠模塊與現場預留的鋼筋對接能順利完成，為鋼筋籠模塊化批量建設奠定基礎。

2 鋼筋籠模塊化機械接頭連接方案

目前，國外大部分鋼筋連接仍采用搭接綁扎的連接方式，操作相較于機械連接更容易，但我國核電土建施工質量和標準比民用建筑高，并且大直徑鋼筋不適宜采用綁扎搭接。滿足核電市場需求的模塊化鋼筋機械接頭需同時符合以下要求：①滿足核電技術規格書的相關要求，質保等級為一級，接頭等級為I級；②符合《鋼筋機械連接技術規程》（JGJ107—2016）及《鋼筋機械連接用套筒》（JG/T 163—2013）的相關要求；③優先采用滾軋直螺紋接頭；④滿足大容差性能要求。鋼筋籠模塊化預制完成后，利用起重機械吊入廠房就位，然后采用大容差的機械接頭依次進行豎向鋼筋連接、模塊間水平向鋼筋連接，最后對比分析各類型接頭形式的實際工效和操作性。

2.1 機械接頭選型和連接

根據現有設計文件，核電工程主要采用直螺紋套筒連接工藝，鋼筋機械連接接頭為I級接頭，此接頭工藝對鋼筋軸向、徑向偏差要求極高，偏差要求幾乎為0。預留鋼筋施工時，軸向、徑向偏差是無法完全消除的，考慮到普通機械連接套筒精度的限制，無法滿足鋼筋籠模塊化施工要求，項目人員經過市場調研，并結合核電工程對模塊化鋼筋機械接頭的要求，最終選擇加長型雙螺套接頭、“U”形套筒、錐套鎖緊接頭、可調套筒4種接頭連接形式。

2.1.1 加長型雙螺套接頭

（1）鋼筋斷料。鋼筋端面宜平整并與鋼筋軸線垂直，不允許出現馬蹄形或翹曲，嚴禁氣割下料。加長型雙螺套最小間隙為118mm，最大間隙為168mm。

（2）鋼筋加工。鋼筋端頭剝肋滾軋直螺紋加工應使用專用鋼筋滾絲機，重點控制螺紋中經和螺紋長度，要求為通規，止規不得旋入超過3扣。與短內螺套1連接的鋼筋螺紋加工為正旋螺紋，與長內螺套2的鋼筋螺紋加工為反旋螺紋（如圖1所示）。檢驗合格的鋼筋絲頭，一端連接短內螺套1，另一端連接長內螺套2，外露絲扣不超過2P（螺距）。旋緊力矩值應符合《鋼筋機械連接技術規程》及技術規格書的要求。

圖1 加長型雙螺套示意圖

（3）鋼筋連接。加長型雙螺套可調整的連接范圍為0～50mm（即短內螺套1與長內螺套2之間的調整范圍）。雙螺套接頭連接鋼筋籠時，應按圖1所示，先將長內螺套2、外螺套、鎖母與鋼筋反絲一頭連接，使外螺套與內螺套2調整對齊、位置對中后，再將外螺套旋入另外一根短內螺套1，旋緊鎖母。連接時建議配置2組人員，每組2人配合作業，一人負責鋼筋矯正、扭緊螺套，一人負責用扳手扭緊外螺套及鎖母。檢查加長型雙螺套外螺套的旋合，長內螺套2外露的螺紋應不超過11扣。

2.1.2 “U”形套筒

（1）鋼筋斷料。鋼筋切割下料時應采用帶鋸床、專用鋼筋切斷機或砂輪機等設備，保證鋼筋斷面平整且鋼筋端頭無明顯彎曲，有明顯彎曲的鋼筋端頭應切除或矯直。

（2）鋼筋加工。接頭連接鋼筋1、連接鋼筋2的端頭部分別采用右旋與左旋剝肋滾軋直螺紋工藝加工（如圖2所示），螺紋尺寸偏差應為0～1.0P；鋼筋絲頭宜滿足6f級精度要求，應采用專用直螺紋量規檢驗，通規應能順利旋入并達到要求的擰入長度，止規旋入不得超過3P。

圖2 “U”形套筒連接件的組成和結構示意圖

（3）鋼筋連接。完成連接鋼筋1端部的螺紋加工并檢驗合格后，將件1（內接套）、件2（頂桿）按圖2所示與連接鋼筋1預安裝，將件3（內擋套）、件4（外“U”形套筒）與連接鋼筋2預安裝，并且件1、件3與連接鋼筋的安裝扭矩應符合同鋼筋直徑的扭矩要求。加長型“U”形套筒連接件可調整的連接范圍為0～50mm，即連接鋼筋頂對頂之間的調整范圍為0～50mm。連接件預安裝后，目測檢查件1、件3的外露螺紋不應超過1P（P為連接鋼筋1、連接鋼筋2的絲頭螺距）。

2.1.3 錐套鎖緊接頭

（1）鋼筋斷料。鋼筋端面宜平整并與鋼筋軸線垂直，不允許出現馬蹄形或翹曲，嚴禁氣割下料。

（2）組裝液壓設備。組裝流程如下：安裝扶手→固定扶手→安裝立柱→組裝立柱分段→固定立柱分段→組裝橫梁分段→固定橫梁分段→組裝橫梁與立柱→固定橫梁與立柱→組裝液壓泵站撐架→固定液壓泵站撐架→安裝平衡器→固定平衡器→松開平衡器→拉出鋼絲繩→懸掛液壓鉗（整個流程組裝完畢）。

（3）安裝鎖片。進行鋼筋連接時必須提前將一對錐套放置在下部鋼筋上，可用夾子擋住錐套，避免滑落；務必注意錐套大小頭的方向，大開口方向相對且位于中間；當待接鋼筋間的間隙可以容納保持架時，可手動安裝；手動安裝時要注意將保持架置于縫隙的中間位置，將液壓鉗水平插入錐套區域后，將鉗口的凹槽卡在錐套上。

（4）擠壓連接。將液壓鉗水平插入預裝完畢的錐套區域，注意要將鉗口的凹槽卡在錐套上，然后啟動操作手柄進行擠壓連接，在凹槽沒有卡好的情況下切勿擠壓，以免損壞液壓鉗。錐套鎖緊接頭，采用專用檢驗卡尺檢查連接質量，如壓接后的接頭長度介于卡尺的2個豁口的長度之間，表示壓接質量合格。

2.1.4 可調套筒

（1）鋼筋斷料。使用金屬帶鋸床、圓盤鋸、砂輪切割機、切斷機等設備切割鋼筋，采用切斷機時，必須使用圓弧刀切斷，切口面應與鋼筋軸線垂直，不允許出現馬蹄形或翹曲。嚴禁使用沖切和氣割下料。

（2）鋼筋加工。鋼筋采用直接滾軋直螺紋工藝加工。可調套筒加工絲頭的長度，一段用標準長度直螺紋絲頭（其長度為標準套筒長度的一半），一段用加長直螺紋絲頭（其長度為標準套筒長度的一半+鎖母厚度），可調套筒的組成如圖3所示。絲頭加工完成后，必須用環通規、環止規檢驗絲頭，保證通規全部旋入，止規旋入不得超過3P，確保套筒能擰進絲頭（有效扣外露≤2扣）。

圖3 可調套筒的組成 （單位：mm）

（3）鋼筋連接。按圖3所示將鎖母安裝到加長直螺紋絲頭，并用扳手將鎖母旋至鋼筋絲頭根部，外露扣小于2P；標準套筒從長絲桿旋入標準長度直螺紋絲頭，長套筒從長對絲端旋入加長直螺紋絲頭，與鎖母貼合；長套筒上旋到位后，將長對絲端鎖母上旋，與長套筒貼合、擰緊。

2.2 各類型接頭擰緊力矩

接頭安裝完畢后，檢查接頭力矩，上述4種接頭除錐套鎖緊接頭外，其余接頭最小擰緊扭矩值見表1。

表1 接頭最小扭矩值

2.3 鋼筋籠模塊化機械接頭施工驗證

2.3.1 驗證部位

選擇漳州核電2號機組人員通行廠房實施驗證，該廠房結構形式為現澆鋼筋混凝土墻板，通過研究確定，選用標高為8.550～13.550 m的墻A5001、A5006、A5008、A5009進行4種接頭的施工驗證。

2.3.2 預留插筋調整

原主體結構預留鋼筋位置的準確性直接影響鋼筋籠模塊的就位對接，因此必須嚴格控制其安裝精度。鋼筋籠模塊預制前，安排專人對現場預留插筋高度、位置進行復核，插筋接頭標高誤差應不超過20mm，確保被連鋼筋的位置在同一平面，以便連接安裝。使用加固工裝在立筋上端按照200mm的間距固定立筋。2片加固工裝安裝完成后，使用直徑為16mm的鋼筋或6mm厚的鋼板將2片加固工裝橫向連接，保證加固工裝的整體性。為解決此關鍵技術問題，本研究設計了定位加固工裝，保證鋼筋的間距、排距及垂直度，定位加固工裝為可拆卸式設計。

2.3.3 現場接頭安裝輔助措施

鋼筋連接接頭對鋼筋籠就位的精度要求相對較高，為解決此問題，本研究設計了相應的限位輔助措施，保證鋼筋籠精準對位。

2.3.4 鋼筋籠連接

鋼筋籠模塊共5個，其中A5009墻有2個模塊，模塊與模塊之間的水平筋采用加長型雙螺套連接，立筋采用錐套鎖緊接頭連接；A5008墻有1個模塊，模塊立筋采用加長型“U”形套筒連接件連接；A5006墻有1個模塊，模塊立筋采用錐套鎖緊套筒連接；A5001墻有1個模塊，模塊立筋采用可調套筒連接，鋼筋機械接頭現場檢驗與驗收嚴格按照《鋼筋機械連接技術規程》中第“7.0.7條”及“7.0.8條”的要求進行現場檢驗和驗收。如果現場截取抽樣試件后，原接頭的鋼筋需要進行補接，連接可采用同等規格的鋼筋搭接；如果現場鋼筋機械接頭取樣后，剩余鋼筋長度不滿足鋼筋綁扎搭接要求，可見證取樣。

鋼筋籠吊裝至就位點后，先對正立筋及水平筋位置，然后下落至預留立筋接頭位置進行連接，立筋連接時注意水平筋的對接位置，利用套筒的可節調性，使水平筋接頭位置找平對正，自下而上地連接水平筋，水平筋及立筋接頭連接完成80%以上方可摘鉤。若水平接頭連接時存在局部無法對正的情況，先將對正套筒全部連接，其余采用撬棍等工具調整對正后再連接。鋼筋籠安裝時要控制好鋼筋保護層，嚴格按照圖紙及變更結果進行安裝。

3 實施結果及分析

根據2號機組人員通行廠房鋼筋籠模塊化機械連接實施得出的數據，鋼筋籠模塊采用錐套鎖緊接頭、加長型雙螺套接頭、可調套筒、“U”形接頭等機械連接，模塊化鋼筋連接的機械接頭百分率為100%，鋼筋籠吊裝后，進行墻體兩側其余鋼筋的安裝，各接頭連接特點分析見表2。

表2 各接頭連接特點分析表

根據表2的各項數據分析，結合現場施工操作的便捷性，鋼筋籠模塊施工過程中建議豎向鋼筋采用錐套鎖緊接頭、“U”形套筒連接，水平鋼筋采用雙螺套接頭、可調套筒連接。

4 結語

本文通過對“華龍一號”鋼筋籠模塊化機械接頭施工技術進行研究，解決了鋼筋籠在吊裝過程中受吊裝變形及預制誤差等因素影響造成的偏心和間隙的問題。符合核電質量標準的大容差鋼筋機械連接接頭滿足了鋼筋連接性能和設計要求，可應用于“華龍一號”核電站模塊化批量建設中。總體來說，隨著技術的發展，模塊化機械接頭技術領域有許多值得探索的研究方向，后續將針對特殊用途的結構模塊，研究超高強度、超高韌性和在極端條件下連接使用的機械接頭，以及經濟性更優、適用性更強的接頭，持續推動核電站工程建設領域的技術創新和提升。