核電廠反應(yīng)堆廠房筏基鋼筋籠模塊化施工技術(shù)

國外核電站筏基鋼筋籠模塊化技術(shù)

核電工程采用模塊化技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)80年代初期，美國Bechtel公司計劃將核潛艇模塊化建造的成功經(jīng)驗應(yīng)用于核電工程，并進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究。此后Bechtel公司將模塊化設(shè)計和建造理念推向正在大力發(fā)展核電的日本，與日立公司一起進(jìn)行核電工程模塊化技術(shù)的應(yīng)用研究和試驗。

在日立公司參與的日本23臺沸水堆(boiling water reactors,BWR)及先進(jìn)型沸水堆(advanced boiling water reactors,ABWR)核電機(jī)組中的16臺機(jī)組的設(shè)計、建造中，模塊化設(shè)計的模塊數(shù)由最初(80年代)的18個增加到按ABWR核電機(jī)組設(shè)計的235個，其中包括筏基鋼筋籠模塊,(直徑為43 m,高為4. 5 m、總質(zhì)量為650 t)。筏基鋼筋籠模塊化施工技術(shù)的采用為ABWR核電機(jī)組48個月標(biāo)準(zhǔn)工期的實現(xiàn)做出了貢獻(xiàn)。日本是核電工程模塊化施工技術(shù)最成熟、應(yīng)用范圍最廣的國家。

筏基鋼筋籠概況及施工現(xiàn)狀

反應(yīng)堆廠房筏基為半徑19. 75 m，厚5. 50 m的圓柱體，其上部設(shè)計成環(huán)向截錐體。筏基內(nèi)設(shè)有7層鋼筋網(wǎng)片，每層鋼筋網(wǎng)片分別由中間正交鋼筋網(wǎng)片和邊部環(huán)向與徑向鋼筋網(wǎng)片組成。各層鋼筋之間布置豎向鋼筋，截錐體處布置斜向鋼筋，圓周向布置預(yù)應(yīng)力鋼管。筏基分5層澆筑，分層標(biāo)高及各層的鋼筋網(wǎng)片如表1所示。鋼筋總用量約為1 150 t，其中網(wǎng)片鋼筋為670 t,豎向鋼筋及加強(qiáng)筋為480 t。

在建核電站一般都采用A,B,C層現(xiàn)場整體綁扎鋼筋，3層1次澆筑混凝土，待其達(dá)到一定強(qiáng)度后，再綁扎D層鋼筋，澆筑D層混凝土，依此類推，完成全部澆筑的方法。此法工期約為150天(不含A,B,C層筏基鋼筋籠45天的綁扎時間)。

筏基鋼筋籠4種模塊化設(shè)計方案

筏基鋼筋籠模塊化設(shè)計研究的原則是:在盡可能少地改變原有設(shè)計的基礎(chǔ)上，研究實施模塊化施工的可行性并提出設(shè)計方案。實施模塊化施工的目的是將鋼筋綁扎工序由現(xiàn)場改為場外，再整體吊裝就位，使在筏基基礎(chǔ)開挖的同時綁扎鋼筋籠成為可能，從而縮短建設(shè)工期。結(jié)合工程實際需要，考慮現(xiàn)有施工水平及借鑒日本實施鋼襯里模塊化施工的成功經(jīng)驗，提出如下先易后難的4種方案。

1.單層鋼筋網(wǎng)片預(yù)制模塊(方案一)

一10. 00 m標(biāo)高鋼筋網(wǎng)片為1個模塊，場外綁扎。整體模塊吊裝就位后，在現(xiàn)場綁扎斜向鋼筋、豎向鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼管及剛性馬橙筋等。同時在場外綁扎一8. 80 m層鋼筋網(wǎng)片，也作為1個模塊，綁扎好后吊裝就位。如上所述依次預(yù)制、吊裝、現(xiàn)場綁扎，完成-7. 00, -6.20 m層鋼筋網(wǎng)片模塊施工。上部筏基采用現(xiàn)場綁扎鋼筋的方式施工。

優(yōu)點:設(shè)計改動小，能夠縮短工期，容易實施，施工順序及場地利用合理。

缺點:工期相對縮短較少，同一時段需要增加施工人員。

2. A,B,C層整體預(yù)制成模塊(方案二)

一10.00, -8. 80, -7.00, -6.20 m標(biāo)高鋼筋網(wǎng)片及豎向鋼筋場外整體預(yù)制成模塊，待場地達(dá)到施工要求時將該鋼筋籠模塊整體吊裝就位。D,E層采用現(xiàn)場綁扎鋼筋方式。

優(yōu)點:縮短工期較多。

缺點:鋼筋籠質(zhì)量約935 t，對吊車要求高。豎向預(yù)應(yīng)力喇叭口與鋼筋籠中預(yù)應(yīng)力鋼管的對接精度要求高。

3. A,B,C層中心正交鋼筋籠預(yù)制成整體模塊，環(huán)向鋼筋籠預(yù)制成分模塊(方案三)

將A,B,C層中間正交鋼筋籠場外綁扎，預(yù)制成整體模塊，環(huán)向鋼筋籠場外預(yù)制成4個分模塊。待場地達(dá)到施工要求后先吊裝就位中間正交鋼筋籠整體模塊，再分別吊裝4個環(huán)向鋼筋籠分模塊。D,E層采用現(xiàn)場綁扎鋼筋的方式。

優(yōu)點:可縮短工期，便于周圍預(yù)應(yīng)力管束施工，吊具直徑小，最大吊裝質(zhì)量為340 t。

缺點:先吊裝中心鋼筋籠，致使環(huán)向鋼筋籠安裝有一定難度。

4.筏基鋼筋籠整體預(yù)制成模塊(方案四)

筏基鋼筋籠(包括所有鋼筋)場外整體預(yù)制成模塊，待場地達(dá)到施工要求時，整體1次吊裝就位，1次澆筑混凝土。

優(yōu)點:可以最大程度地縮短工期。

缺點:整體鋼筋籠質(zhì)量近1 200 t，需要大噸位吊車。預(yù)應(yīng)力管束就位對接精度要求高。鋼襯里底板支撐系統(tǒng)需要整體綁扎就位，內(nèi)部儀表等需要預(yù)先安裝，增加了施工難度。

計算方法

考慮到D級、斷層等地基材料具有強(qiáng)烈的非線性特性，分別采用增量線性靜力有限元方法和等效線性動力有限元方法來進(jìn)行結(jié)構(gòu)一地基系統(tǒng)的初始應(yīng)力分析和地震反應(yīng)分析。并且，在初始應(yīng)力計算中，通過對地基的開挖與填筑、電站建筑物建造過程的模擬來考慮這些因素對初始應(yīng)力的影響。地震反應(yīng)分析采用SuperFLUSH通用軟件。該軟件具有以下特點:利用等效線性方法考慮地基剪切模量與阻尼比隨剪應(yīng)變的非線性變化關(guān)系;采用頻域復(fù)反應(yīng)法計算地震激勵響應(yīng)，通過傅里葉逆變換來求時域響應(yīng);模型兩側(cè)可設(shè)置能量傳遞邊界、底部可設(shè)置勁性邊界，以較好地模擬波動的逸散效應(yīng)。

有限元模型

地基和上部結(jié)構(gòu)均屬三維問題?？紤]到地質(zhì)條件的復(fù)雜性和不確定性，同時為了減少計算工作量，故一般按二維問題來處理。如圖《有限元模型》上述，地基左右兩側(cè)及深度方向各取反應(yīng)堆廠房基礎(chǔ)橫截面尺寸的兩倍左右的計算范圍。有限元模型底面采用半無限地基勁性邊界，側(cè)面采用能量傳遞邊界。為了能夠較真實地反映地震過程中核電站上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)板的約束作用，采用桿件單元、固體單元和集中質(zhì)量組合來模擬核電站上部結(jié)構(gòu)，其材料特性通過與集中質(zhì)量模型具有同等振動模態(tài)特性的條件來確定。

土-結(jié)構(gòu)相互作用計算分析方法

土-結(jié)構(gòu)相互作用分析經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了很多分析方法。按對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同的處理方法，可以劃分為直接法和子結(jié)構(gòu)法。直接法和子結(jié)構(gòu)法是各相關(guān)學(xué)科分析相互作用時較常用的方法，具有概念清晰、物理意交明確的價點。

1.直接法

所謂直接法，就是將場地土、基礎(chǔ)和上部廠房結(jié)構(gòu)看作一個整體一并計算。直接法通常采用數(shù)值法或半解析法求解，常用的數(shù)值法或半解析法主要有有限元法、無窮元法等。地震動輸入應(yīng)使基巖露頭處自由場地表面的地震動達(dá)到要求的設(shè)計值，在計算模型底部垂直輸入設(shè)計地震加速度的一半，則自由地面的地震加速度達(dá)到設(shè)計值。地震波動的輸入是通過粘彈性邊界和等效荷載共同實現(xiàn)的，作用在于模擬實際波場的應(yīng)力邊界條件，通過完全積分法進(jìn)行求解，一步即可求得上部廠房結(jié)構(gòu)節(jié)點的絕對響應(yīng)。

2.子結(jié)構(gòu)法

所謂子結(jié)構(gòu)法，就是將地基和上部廠房結(jié)構(gòu)看作兩個或者多個子結(jié)構(gòu)，對每個子結(jié)構(gòu)獨立地進(jìn)行分析。一般步驟是，首先用解析方法或者其他數(shù)值方法求得無限地基的動力剛度，然后將結(jié)構(gòu)一地基交界面上的相互作用力-位移關(guān)系代入到結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程中進(jìn)行求解。這種方法的關(guān)鍵就是求解地基的動力剛度。 2100433B

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了壓水堆核電廠反應(yīng)堆廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工和質(zhì)量驗收要求。本標(biāo)準(zhǔn)適用于壓水堆核電廠反應(yīng)堆廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工和質(zhì)量驗收。

反應(yīng)堆廠房安全殼為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為一最大半徑20m，總高70.35m的圓筒體。安全殼筒體內(nèi)表面為一道保證氣密性的封閉的碳鋼板鋼襯里，外表面為清水混凝土面。安全殼主要由預(yù)應(yīng)力環(huán)廊、底板、筒身、環(huán)梁和穹頂五部份組成。環(huán)廊標(biāo)高-13.15m～-10.00m，底板標(biāo)高-10.00m～-3.90m，筒身標(biāo)高-4.5m～44.83m，環(huán)梁頂標(biāo)高到50.35m，穹頂頂標(biāo)高到57.20m。

反應(yīng)堆廠房安全殼底板平面呈圓形，最大外圍直徑39.5m，最底標(biāo)高-10.0m，最高標(biāo)高-3.9m，底板上表面為一層封閉的鋼襯里。在底板-7.000m標(biāo)高，與核燃料廠房對應(yīng)部位，有一吸水管通道，吸水管通道中的吸水管上端與內(nèi)部結(jié)構(gòu)相通，下端與燃料廠房相通。反應(yīng)堆廠房底板與周邊核島廠房底板之間通過設(shè)計留置的50mm寬伸縮縫隔開。

反應(yīng)堆廠房安全殼筒身底標(biāo)高-4.5m，頂標(biāo)高 44.83m，全高49.33m，可分成兩部份，-4.5m～-0.5m為一內(nèi)徑34.6m～37m，外徑38.8m的截錐形筒體（即所稱的截錐體），-0.5m～ 44.83m為一內(nèi)徑37m、外徑38.8m的圓柱形筒體。筒身上有應(yīng)急人員閘門（Φ2940mm，中心標(biāo)高1.15m），人員閘門（Φ2940mm，中心標(biāo)高9.15m），設(shè)備閘門（Φ7432mm，中心標(biāo)高22.90m）這三個大閘門，以及一百多個大小不等的貫穿件，還埋設(shè)有各種大小不等的預(yù)埋件和預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管。在筒身上還有四個寬4.32m、凸出筒壁0.56m的扶壁柱，用以錨固安全殼水平預(yù)應(yīng)力鋼束。這四個扶壁柱在筒身上互成100.0g，其中1#反應(yīng)堆廠房安全殼的四個扶壁柱分別位于筒身6.666g、106.666g、206.666g和306.666g位置，2#反應(yīng)堆廠房安全殼的四個扶壁柱分別位于筒身50.000g、150.000g、250.000g和350.000g位置。

反應(yīng)堆廠房安全殼環(huán)梁內(nèi)側(cè)為鋼襯里，鋼襯里的曲率半徑6m，底標(biāo)高44.83m，頂標(biāo)高49.147m，為一球帶體的球面，結(jié)構(gòu)混凝土施工時也作環(huán)梁的內(nèi)模。環(huán)梁混凝土結(jié)構(gòu)外圍半徑20m，凸出筒壁0.6m，上部頂標(biāo)高50.35m，女兒墻頂標(biāo)高51.4m，在女兒墻頂安裝有安全殼觀測用吊籃的環(huán)形軌道。環(huán)梁頂部與穹頂表面相交處有一道環(huán)形雨水天溝，雨水天溝底安裝有6處排水管，排水管從環(huán)梁外側(cè)的中部伸出，與筒身外的豎向雨水管相聯(lián)。環(huán)梁為筒身頂部和穹頂?shù)倪B接部份，在環(huán)梁外側(cè)和頂部均安裝有預(yù)應(yīng)力張拉錨固系統(tǒng)（即喇叭口），主要用以張拉和錨固安全殼穹頂預(yù)應(yīng)力鋼束和豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。

反應(yīng)堆廠房安全殼穹頂內(nèi)側(cè)為鋼襯里，鋼襯里的曲率半徑24m，底標(biāo)高49.147m，穹頂高6.733m，為一球缺體的球面，混凝土施工時也作為穹頂?shù)牡啄！ｑ讽敾炷两Y(jié)構(gòu)外表面在半徑12.650m以下為一圓臺面，半徑12.650m以上為一半徑24.8m的球缺面。穹頂混凝土結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高57.2m，最薄處厚0.8m，穹頂內(nèi)主要埋設(shè)有三層網(wǎng)狀預(yù)應(yīng)力導(dǎo)管，三層導(dǎo)管之間夾角為120°。穹頂表面預(yù)埋了一些預(yù)埋件和防雷接地網(wǎng)用的錨固插孔，錨固插孔用來安裝安全殼的防雷接地網(wǎng)。在穹頂表面51.4m標(biāo)高處，有一圈660mm寬的小平臺，平臺上裝有與女兒墻頂面相對應(yīng)的環(huán)形軌道，在兩軌道上安裝的是安全殼觀測用吊籃。在穹頂表面還有一道混凝土斜道，從小平臺直通到穹頂最頂部。

反應(yīng)堆廠房安全殼內(nèi)表面所覆蓋的鋼襯里為碳鋼，厚6mm，在安全殼施工時作為永久性模板。鋼襯里與混凝土的接觸面配有縱橫方向的加強(qiáng)肋條，并有全面積均勻分布的錨固釘，以保證與安全殼底板、筒體和穹頂結(jié)構(gòu)混凝土有效錨固。底部鋼襯里板上方還設(shè)有焊縫保護(hù)和檢查槽及保護(hù)層。在安全殼筒身鋼襯里上設(shè)有眾多的貫穿件（167個）和環(huán)吊牛腿托架（36個）等。底板、筒身鋼襯里隨著施工進(jìn)度現(xiàn)場逐塊拼裝，穹頂鋼襯里重約173噸，先在地上拼裝好并安裝好安全噴淋系統(tǒng)管道，然后進(jìn)行整體吊裝。

反應(yīng)堆廠房安全殼預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)設(shè)計為后張法有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力體系。預(yù)應(yīng)力鋼束按其所在位置分為豎向束、水平束、穹頂束，總計541束。其中豎向束(36T16)144束，每束從預(yù)應(yīng)力廊道預(yù)制蓋板底面到環(huán)梁頂面，豎向貫穿安全殼底板、筒身和環(huán)梁，水平束沿筒體圓周分布,水平束(19T16)223，分布在筒體標(biāo)高-4.50到45.61m間，有內(nèi)外兩層，穹頂束(19T16)174束，網(wǎng)狀分布在穹頂和環(huán)梁內(nèi)，有上中下三層。豎向束導(dǎo)管用Ф140鋼管，穹頂束及部分水平束（繞開孔洞部份）導(dǎo)管用Ф102鋼管，水平束導(dǎo)管用直徑為95mm的半剛性薄壁波紋鍍鋅鋼管。全部鋼束在預(yù)應(yīng)力張拉后在套管內(nèi)都加壓注入水泥漿以防止空氣腐蝕，僅在1#、2#反應(yīng)堆廠房每90°留出一根豎向鋼束，各4根，套管內(nèi)灌注特種油，以進(jìn)行長期觀察和測量。

反應(yīng)堆廠房安全殼永久性儀表：安全殼中埋設(shè)了六套測量系統(tǒng)，分別是：地形水準(zhǔn)測量系統(tǒng)、筏基水準(zhǔn)盒測量系統(tǒng)、鉛垂線測量系統(tǒng)、聲頻應(yīng)變計測量系統(tǒng)、熱電偶溫度測量系統(tǒng)、預(yù)應(yīng)力拉力損失測力計。

k) 反應(yīng)堆廠房安全殼混凝土采用PS40及PI40型。安全殼混凝土采取分層分段的施工方法，混凝土施工環(huán)廊及底板采用泵送混凝土施工工藝，筒身、環(huán)梁及穹頂采用泵送和塔吊吊斗澆筑相結(jié)合的混凝土施工工藝。2100433B

沸水堆廠房的特點是在安全殼內(nèi)設(shè)一干井，反應(yīng)堆即安裝在此井內(nèi)。

干井的作用是：①承受失水事故瞬態(tài)壓力，并通過排汽管將汽水混合物導(dǎo)入抑壓水池；②提供屏蔽，使運(yùn)行維修人員能在反應(yīng)堆運(yùn)行時進(jìn)入安全殼內(nèi)干井以外地區(qū)；③對失水事故時可能發(fā)生的甩管、水流沖擊和飛射物提供防護(hù)，以保護(hù)安全殼。干井頂部有一鋼制密封頂，但可拆卸以便進(jìn)行換料檢修。

沸水堆的安全殼與壓水堆的類似，但其底部設(shè)有抑壓水池。緊靠反應(yīng)堆廠房設(shè)置燃料廠房和輔助廠房。