第三代核电站超大吨位预应力束应力均布关键技术.pdf

第卷增刊原子能科学技术 ，年月 第三代核电站超大吨位预应力束应力均布关键技术廖春生，陈维，朱明亮，徐昀（中国核工业华兴建设有限公司，江苏 南京 ；东南大学 土木工程学院，江苏 南京 ）摘要：随着核电站安全壳耐压要求越来越高，核电站安全壳预应力吨位也越来越大。第三代核电站单束钢绞线数量已达到 根，针对张拉时各钢绞线的应力不均匀性问题，本文提出了采用等应力张拉方法。为了解预应力钢束在经过等应力张拉后各单根钢绞线应力的分布情况，通过采用特定千斤顶对已经经过等应力张拉的钢束进行张拉试验，收集单股钢绞线应力数据，形成单股钢绞线应力数据的标准差，并对数据进行分析，最终得到经过等应力张拉后在进行预应力张拉时，单股钢绞线应力的分布情况。结果表明，本文提出的核安全壳大吨位预应力等应力张拉方法可使张拉时单股钢绞线的应力分布更均匀，最大应力相对偏差在以内，且等应力张拉的拉力越大，张拉时钢绞线应力的分布越均匀。关键词：安全壳；钢绞线；等应力张拉；标准差；应力分布中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：中核集团“青年英才”项目：，（，；，）：，：；预应力张拉施工工艺在核电站、天然气接收站、机场航站楼以及道路桥梁和大跨度厂房等建筑项目都有着应用。通常，预应力张拉施工前，需在孔道内穿入多根形成群锚的钢绞线，由于钢绞线在孔道内长度及松紧程度不同，在使用千斤顶进行张拉过程中，难免出现钢绞线受力不均匀的现象。如果在张拉前不采用等应力张拉措施，直接进行预应力张拉，钢绞线会因为松弛状态不同导致内部拉力不同。当张拉到最终压力时，很可能因部分钢绞线的拉力超过其极限抗拉强度，进而导致断丝、断裂等恶果。为有效避免钢绞线受力不均导致钢绞线断丝的恶果，需要首先借助等应力千斤顶对群锚中每一根钢绞线进行张拉至拉紧状态，然后再进行超大吨位的预应力张拉施工。本文对等应力千斤顶的构造、工作原理以及张拉工艺进行介绍，同时通过特定的千斤顶设备对核电站已完成等应力张拉的钢束进行试验，得到单股钢绞线应力的数据，并对这些数据进行分析处理，进而对张拉应力的分布情况进行研究。等应力千斤顶 主要组成等应力千斤顶如图所示，主要由张拉系统、顶压系统、伸缩导管、锚固单元和保护套管组成，主要性能参数列于表。图千斤顶的主要构成 工作原理等应力千斤顶通过并联 个相等张拉活塞面积的小型油缸而组成，利用并联的油路油压均相等的原理，实现每个小型油缸对每根钢绞线施以相同的拉力，如图所示。小型油缸原子能科学技术第 卷表性能参数 单根公称张拉力公称油压 顶压压力 最大直径行程重量 的端头则辅助以钢绞线夹持装置，该装置带有小型工具夹片、顶管、弹簧等，具备对每根钢绞线的自动夹持和松脱功能，从而实现对钢绞线的等应力张拉操作。图等应力千斤顶剖面图 等应力张拉工艺 等应力千斤顶的安装首先对等应力千斤顶进行定位，使等应力千斤顶前端位距离钢绞线端部 处，将等应力千斤顶前端的导管抽出安装在钢绞线上，确保每根钢绞线在锚固块中的位置与其在等应力千斤顶内的位置相对应，应注意钢绞线不得交叉。所有钢绞线穿入等应力千斤顶前端，并位于锚固块对应的正确位置后，使用电动葫芦将等应力千斤顶推近锚固块。等应力千斤顶张拉施工流程等应力张拉循环程序如下：千斤顶第次加压（最大为 ）；液压夹片锁定（）；等应力千斤顶回程（）；将千斤顶推近至锚固块（如需要）；千斤顶第次加压（最大为 ）；液压夹片锁定（）；等应力千斤顶回程（）；将千斤顶推近至锚固块（如需要）；千斤顶第次加压（最大为 ）；液压夹片锁定（）；等应力千斤顶回程（）；等应力张拉结束。等应力张拉循环反复进行直至所有钢绞线均获得一个相同的应力荷载。等应力张拉期间，当千斤顶后端钢束中的钢绞线不再移动时，则表示达到了等应力状态，最后再进行次等应力循环以确保所有钢绞线中的应力相同。等应力千斤顶单个活塞压力试验为测量等应力千斤顶 个活塞实际压力偏差情况，设计了一套试验方法，首先将等应力千斤顶 个原装的活塞杆上的锚具单元（工具夹片、工具锚板）、夹片顶套、插板、弹簧等全部拆掉，等应力千斤顶活塞杆连接挤压头和传感器，作用于反力架，逐渐增加等应力千斤顶油泵油压，读取称重传感器数值，进而测出等应力千斤顶单个活塞力。为保证试验数据可靠性，本次试验分别对台相同型号等应力千斤顶进行了试验，并对数据进行记录。试验主要设备及材料为：等应力千斤顶，台；电动油泵，台；反力架，台；千斤顶垫环，个；挤压头，个；称重传感器，、测量精度 ，个。试验示意图如图所示。试验步骤如下。图试验示意图 ）将等应力千斤顶竖立，安装上千斤顶垫环，再将其吊至反力架平板车上。增刊廖春生等：第三代核电站超大吨位预应力束应力均布关键技术）根据等应力千斤顶 孔排布，将 个量程 的称重传感器受力面凸台，套入挤压头凹槽内，安装好。为了避免传感器之间相互干涉，出现记录混淆错误情况，将每个称重传感器做好标记，同时将与等应力千斤顶活塞头连接的挤压头也分别做好标记，如图所示。图挤压头及称重传感器编号 ）将电动油泵与等应力千斤顶的进出油管分别连接就位，再通过移动反力架平板车将装备好的等应力千斤顶移动至反力架对中放置。）启动电动油泵控制油压至 ，等应力千斤顶驱动活塞杆伸出，个称重传感器底面接触反力架上端板的面，个活塞杆挤压头的上端面也同时接触反力架上端板的面。同时观察 个智能显示仪表，力值显示是否正常，并将力值进行记录，如图所示。图个智能显示仪表实物图 ）将电动油泵逐步加载油泵压力至 ，并记录 个智能显示仪表力值显示值。）电动油泵泄去压力，等应力千斤顶活塞杆回程，将称重传感器更换至其他挤压头凹槽内安装好。）重复上述步骤，把其余孔位的力全部测量完成。）试验结束。等应力千斤顶的试验结果列于表。表等应力千斤顶测量结果 智能显示仪表编号单个活塞编号显示数值 原子能科学技术第 卷续表智能显示仪表编号单个活塞编号显示数值 增刊廖春生等：第三代核电站超大吨位预应力束应力均布关键技术表等应力千斤顶测量结果 智能显示仪表编号单个活塞编号显示数值 原子能科学技术第 卷表等应力千斤顶测量结果 智能显示仪表编号单个活塞编号显示数值 增刊廖春生等：第三代核电站超大吨位预应力束应力均布关键技术 试验数据分析本次试验采用的等应力千斤顶活塞杆、挤压头均相同，因此其受力面积均相同。等应力千斤顶的油压系统与活塞杆张拉力之间的关系为，即。其中：为活塞杆处张拉力；为电动油泵施加的压力；为等应力千斤顶活塞杆面积。通过调节电动油泵油压至、，称重传感器测出活塞杆处 组力值数据，共 组数据，理论上每个活塞杆的力值是相等的，即 组数据应该相等，但受到一些客观因素的影响，这些数据存在一些误差。分别对台等应力千斤顶的组力值计算标准差，得到的结果列于表。表台等应力千斤顶不同油压下显示仪表力值的标准差 电动油泵油压 等应力千斤顶显示仪表力值的标准差 因为 个活塞杆面积相同，均为 ，由表可看出，当电动油泵油压达到 时，理论上等应力千斤顶显示仪表力值为 ，取标准差最大值 ，即经过等应力千斤顶张拉后 根钢绞线应力相对偏差为 ，小于，钢绞线极限抗拉强度为 ，钢绞线截面积为 ，进而得到极限张拉力为 ，在施工中张拉极限张拉力的，即 ，进而测算出通过等应力张拉后，根钢绞线应力偏差为 。通过本次试验，验证了通过等应力千斤顶的作用，可以让钢绞线的应力分布更加均衡，应力偏差小于 ，减少正式张拉前钢绞线应力不均情况的出现。应力分布测量试验为验证张拉前进行等应力张拉操作能否使大吨 位 钢 束 应 力 分 布 均 匀 度 达 到 设 计 要求，在核电站现场进行了次“预应力张拉应力分布试验”，本次试验是在核电站预应力张拉作业期间进行的，试验与正常预应力张拉作业不同处在于以下几个方面：）现场预应力张拉采用的是标准张拉千斤顶，而试验采用了特定千斤顶，这个特定千斤顶与标准张拉千斤顶之间唯一区别是特定仪器增加了 个安装在千斤顶缸内的单股力传感器；）本次试验分别对水平钢束（、）和伽马钢束（、）进行了试验。将特定千斤顶上的压力传感器与数据记录仪连接，数据记录仪同时与计算机连接，可以将特定千斤顶单股张拉力实时数据进行收集，而且数据记录仪带有温度。特定千斤顶单股力值及标准差列于表、。试验结果与分析从预应力张拉应力分布验证试验数据可看出，钢束端施加的等应力为 ，钢束端施加了 的等应力，两者的预应力张拉应力的标准差列于表。从标准差数据可看出，除 外，单股应力的标准差均小于 。对于 、钢束，在端施加了 等应力处理，在 端施加了 等应力处理，、两端的标准差示于图。分析上述试验数据，可以得出：）对钢束进行预应力张拉前，进行了等应力张拉的一端相对于未进行等应力张拉的一端，其预应力张拉钢绞线单股的应力标准差更小；）钢束预应力张拉前进行等应力张拉的拉力越大，其预应力张拉 时，钢 绞 线 单 股 的 应 力 标 准 差 越 小；）钢束在预应力张拉前进行等应力张拉，可以使预应力张拉时单股钢绞线的应力分布更均匀，等应力张拉的拉力越大，预应力张拉时钢绞线应力的分布越均匀。原子能科学技术第 卷增刊廖春生等：第三代核电站超大吨位预应力束应力均布关键技术表标准差数据 钢束号等应力 标准差 图 、钢束、两端标准差条形图 ，结语国内现有项目预应力工程系统中，对于多根钢绞线，特别是钢绞线数量多，弯曲起伏大，导致钢绞线之间长度不同（松弛）进而使钢绞线之间受力不均衡。采用预应力钢束预紧张拉（等应力张拉）施工法，通过等应力千斤顶连续加载，对每根钢绞线中应力松弛进行补偿，从而保证千斤顶对钢束预应力张拉操作时钢绞线受力均匀，最大应力相对偏差在以内，避免在张拉到最终压力时，因一部分钢绞线的拉力过大，超过钢绞线的极限抗拉强度，进而使钢绞线发生断裂、断丝等情况。本文方法使工程的施工质量得到有效控制，尤其是对于华龙一号等第代核电站预应力张拉，张拉作业前使用等应力千斤顶对钢束进行等应力张拉，可有效确保 孔大吨位的预应力张拉质量，进而保证了核电站在紧急情况下的安全。参考文献：蔡利建，熊俊，孟剑预应力混凝土安全壳结构极限承载力分析相关问题的探讨工业建筑，（）：，（）：，（）王永宝，毛敏，刘志华，等体外预应力加固预应力混凝土梁的静力试验建筑结构，（）：，（）：（）陈宇啸预应力混凝土斜弯组合连续箱梁桥设计、施工关键技术研究重庆：重庆交通大学，曹明，荆升国，谢文兵，等锚索安装初期预应力损失实验及二次张拉效果分析煤炭工程，（）：，（）：（）邓建，肖明，谢冰冰预应力锚索受力特性与初始张拉吨位优化分析岩土力学，（）：，（）：（）原子能科学技术第 卷