某核电站SC结构自密实混凝土施工工艺研究

孙美娟，张唐召，董月亮

（1.中国核工业华兴建设有限公司核电事业部，江苏 南京 210019；2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 100088）

某核电站的屏蔽厂房是核电站抵抗内外部事故最重要的构筑物之一，设计上首次采用了钢板混凝土（SC）结构的屏蔽厂房是非能动系统一部分。因为国外SC结构的施工尚在摸索建造过程中，国内亦无成熟建造技术可供借鉴，所以SC结构的结构特性与高精度指标使得其在建造过程中存在若干重大问题有待解决，而国内外目前掌握的类似结构的施工技术与施工经验难以有效满足SC结构的高质量指标要求以实现其设计的安全功能。因此，有必要开展SC结构施工技术的系统性研究，开发SC结构关键施工技术并在示范工程中应用和验证，既填补了SC结构施工技术的空白，完善大型先进压水堆核电站建造技术体系，也是我国核电“走出去”的技术保障之一。

1 SC结构简介

某核电站的安全性、可靠性和经济性与屏蔽厂房息息相关，屏蔽厂房具有防辐射、防撞击、抵御恶劣天气和不良地震等功能，是核电站抵抗内外部事故最重要的构筑物之一，自“9·11”事件后，核电站抵御飞机撞击的问题已成为新建核电厂安全评审的一项重要内容。

现有各种堆型的核电站在具有类似功能和结构的安全壳或安全厂房的设计上，均采用钢筋混凝土或内衬钢衬里的混凝土结构，建造技术日趋成熟和完善；为了进一步提高反应堆厂房抵抗内外部事故的能力，我国在AP1000核电技术的基础上进行再创新，将某核电站屏蔽厂房包围钢制安全壳的屏蔽墙设计为钢板混凝土结构（SC结构）。SC结构为弧形双层钢面板结构，筒体厚度1.1m，外径23.985m，周长150.7m，内径22.885m，周长143.9m,高度57.246m。主要钢板为20mm、25mm、40mm厚的Q345B，总重约3656t。结构分为水平连接和竖向连接，连接结构复杂。内部设置拉结筋、焊钉、加劲板、支撑板等，浇筑自密实混凝土，每一层混凝土浇筑高度6m，设计文件要求混凝土侧压力不大于50kPa。

2 分层浇筑工艺

由于混凝土自由下落高度应根据现场的模型试验结果确定，需进行SC结构自密实混凝土自由下落高度的研究。同时现有自密实混凝土配合比报告显示：M型实验室性能指标数据（室外：初凝670min，终凝820min。室内：初凝840min，终凝1180min）。混凝土性能指标设计及规范要求：入模温度为26℃；含气量为5.0±1.5；坍落扩展度为700mm±50mm。另外，需开展自密实混凝土浇筑工艺研究，如室外环境下的初凝、终凝时间、自密实混凝土的流动性等。为后续浇筑方式、浇筑速度、施工设备选择奠定基础。

在SC结构水平连接区及下部基础模拟试验混凝土浇筑施工过程中，对M型混凝土进行检测，混凝土每罐车合格率为92.3%。自密实混凝土分层浇筑，每层高度约为400mm。混凝土布料点设置3个位置，同时为确保M型与D型混凝土接缝混凝土施工质量，以防M型从300mm错台处遗漏，M型必须在D型混凝土初凝前浇筑，它们浇筑的间隔时间约为7h。

通过现场实际试验数据可知，自密实混凝土最大流动距离为14.5m，最小流动距离9.0m，每层浇筑时间约为1.0h。SC结构竖向施工缝采用铁丝网模板，由于自密实混凝土骨料较小，灰浆较多，混凝土施工时灰浆会通过铁丝网外露，既影响混凝土质量又影响施工环境，现场采用土工布进行二次覆盖封堵，可大量减少灰浆外漏现象。

3 钢板最大允许侧压力

简化计算模型，自密实混凝土侧压力按照液压计算公式计算，得出自密实混凝土的浇筑高度为2.1m时，混凝土侧压力达到50kPa。但2.1m的混凝土浇筑高度，给现场带来的直接影响就是造成混凝土浇筑速度缓慢、效率低下。计划通过有限元分析计算SC结构能够抵抗的最大流动混凝土侧压力，进行模拟试验，开发应力和变形测量系统。并对混凝土浇筑不同阶段SC结构的应力和变形进行实时监测，试验结果与分析结果进行对比，得出自密实混凝土一次浇筑最大高度限值和钢板最大允许侧压力。通过两次试验，模拟不同部位及工况下混凝土的施工，验证混凝土侧压力对SC结构变形影响、浇筑高度与侧压力的相互关系，验证浇筑工艺的可行性，为后续SC结构混凝土施工提供指导。

3.1 SC结构模拟试验竖向连接区及非连接区1自密实混凝土施工

此次自密实混凝土浇筑时间为9.5h,其中每罐车混凝土检验需要0.5h,整体混凝土浇筑符合预期要求。根据前期混凝土应力计算分析所得的应力分布规律及数据，位移、应力及温度监测测点布置说明如下。

（1）位移传感器布置在钢板两侧位置，共计12个，如图1所示。混凝土浇筑前安装12组钢板位移传感器，分别监测钢筋应力达到32.24MPa时现场SC模块的位移偏差，并监测浇筑高度分别在2m、3m、4m、5m、6m的钢板位移情况，实测钢板最大位移为1.8041mm。

（2）钢筋应力计共计14根。测点编号及布置如下图2所示。

图1 位移传感器布置示意图（单位：mm）

图2 应力传感器布置示意图（单位：mm）

混凝土浇筑前安装14组钢筋应力传感器，分别监测钢筋应力达到32.24MPa（按设计侧压力50MPa计算）时现场混凝土的布料高度，根据现场试验概况，混凝土布料高度达到6m时，钢筋应力并未达到32.24MPa；现场分别在布料高度为2m、3m、4m、5m、6m时对钢筋应力进行了监测，其中钢筋最大应力为30.4983MPa。温度测点布置遵循如下原则：同位置钢筋应力计附近布置一个温度测点，以对钢筋应力计测得的钢筋应力进行温度修正。

在此次试验中，温升值大约在25℃，温升较大，故不能忽略温度对应变的影响，需要进行温度修正。其中，为了得到一个完整的温度场分布，选择在G2-1钢筋应力计的内、中、外各布置一个温度测点，测点共计14个。自密实混凝土浇筑至6m时，应力读数未达到根据设计要求的静压力，G7点最大值为47.56kPa，小于50kPa（G7点最大变形为2.5mm）；自混凝土浇筑完成连续读数至浇筑完成后16h，除个别点外，均已从受拉状态回弹为受压且数据远小于设计允许值。根据此次浇筑初步分析，SC结构连续浇筑6m，静压力值不会超过设计要求。

3.2 SC结构模拟试验非连接区2自密实混凝土施工

此次自密实混凝土浇筑时间为7.3h，其中，前两罐车混凝土检验每次需要0.5h，整体混凝土浇筑符合预期要求。对每罐车混凝土进行性能检验，合格率为100%。与SC结构模拟试验竖向连接区及非连接区1自密实混凝土施工对比，调整位移传感器布置在钢板两侧位置，共计8个。监测结果显示：在混凝土浇筑期间，各测点位移逐步增大，SC结构模拟件整体呈现出向外逐步膨胀的状态；位移最大点出现在S4-2位移测点，最大值为2.45mm，小于6mm，满足设计要求。

钢筋应力计替换原有拉结筋，共计9根。同位置钢筋应力计附近布置一个温度测点，以对钢筋应力计测得的钢筋应力进行温度修正。在G2-2钢筋应力计的内、中、外各布置一个温度测点，构成完整温度场分布，测点共计11个。监测结果显示：同等高度处的测点钢筋应力变化规律基本一致；浇筑高度约为4.8m时出现钢筋应力最大值，最大值为34.78N/mm2，大于允许应力值。

3.3 后续施工建议

（1）根据侧压力要求，混凝土浇筑高度控制在2m，根据混凝土初凝时间10h，浇筑速度按0.4m/h计算，在下侧2m混凝土浇筑后，间隔6～8h后进行上侧2m混凝土施工，依次往复，直至混凝土施工完毕；（2）自密实混凝土最大水平浇筑距离一般不宜超过7m，混凝土浇筑前布置时，间距控制在5m左右。

4 结论

通过两次试验，模拟不同部位及工况下混凝土的施工，验证混凝土侧压力对SC结构变形影响、浇筑高度与侧压力的相互关系，验证浇筑工艺的可行性，结论如下：（1）在混凝土浇筑及后续监测期间，未出现钢筋焊点开裂等现象，拉结筋拉应力低于屈服强度，拉结筋未出现屈服现象。（2）位移最大点出现在高度4m处外侧，其最大值为2.45mm，小于6mm公差要求，满足设计要求。（3）钢筋应力最大点出现在G4-1钢筋应力计测点，于浇筑完成时出现，此时浇筑高度约为4.8m；最大钢筋应力大于允许应力值，但经后续的钢板剥离和混凝土切割检验发现，对内部质量并无影响，是否能突破设计限值，还需进一步研究。