某EPR核電站安全殼預(yù)應(yīng)力摩擦損失的試驗(yàn)研究*

林樹潮 胡志強(qiáng) 韓建強(qiáng)

1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程博士后流動(dòng)站 300072

2.泰山學(xué)院機(jī)械與建筑工程學(xué)院 泰安271000

3.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 唐山063210

1 工程概況

本文以廣東臺(tái)山核電項(xiàng)目2 號(hào)機(jī)組核島安全殼為背景，該EPR核電站安全殼［1，2］分為安全殼外殼和內(nèi)殼，外殼為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)殼為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)外安全殼之間存在1.8m寬的環(huán)形區(qū)域，內(nèi)殼預(yù)應(yīng)力施工采用后張法。內(nèi)殼主要由基礎(chǔ)底板、殼壁和穹頂構(gòu)成，如圖1 所示，殼壁和穹頂通過環(huán)梁連接。基礎(chǔ)底板位于-8.000m 以下；殼壁內(nèi)徑23.4m，壁厚1.3m，高度53.796m；穹頂內(nèi)徑32.0m，壁厚1.0m，高度8.063m。基礎(chǔ)底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，而其他區(qū)域則為C75。在殼壁的環(huán)向角度0°、112°、230°處各有一扶壁柱。典型的四個(gè)閘門洞口列于表1。

圖1 內(nèi)安全殼剖面（單位：m）Fig.1 Section plane of inner containment vessel（unit：m）

表1 閘門洞口Tab.1 Gate openings

預(yù)應(yīng)力筋線型復(fù)雜，噸位可達(dá)1200t。預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)主要［3］由水平預(yù)應(yīng)力筋（hhTd，119 束55C15）、豎向預(yù)應(yīng)力筋（vvTd，47 束54T15.7）和穿過穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力筋（GmTd，104 束54T15.7）構(gòu)成，如圖2 所示，共有270 束。采用法國Freyssinet公司的“C”系列錨固系統(tǒng)55C15。每束預(yù)應(yīng)力筋由54 股公稱直徑為15.7mm、公稱面積為150mm2的七絲高強(qiáng)低松弛鋼絞線組成。張拉控制應(yīng)力均為1488MPa，則相應(yīng)的張拉控制力均為1.2 ×107N。預(yù)應(yīng)力筋材料屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，彈性模量為（1.95 ±0.10）×1011N/m2，延伸率大于等于3.5%，面積縮小率大于等于25%，當(dāng)張拉控制應(yīng)力時(shí)，1000h 應(yīng)力松弛值小于等于4.0%。

圖2 預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)Fig.2 Prestressed tendon system

hhTd孔道成型采用φ160mm 金屬波紋管［4］，由0.6mm的磷化皂化鋼帶通過卷管機(jī)SR200卷制而成。vvTd 和GmTd 的孔道成型采用φ165.3 ×3mm薄壁鋼管，通過彎管機(jī)SR200 與擴(kuò)口機(jī)加工而成。對(duì)于孔道和設(shè)備貫穿件等過渡部位亦采用外徑φ165.3 ×3.0mm薄壁鋼管。

為驗(yàn)證預(yù)應(yīng)力筋受力計(jì)算時(shí)所采用的摩擦系數(shù)與現(xiàn)場施工中所產(chǎn)生的摩擦損失系數(shù)是否一致，從而準(zhǔn)確地確定預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力值，要求在正式施工前對(duì)不同類型的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)原理

采用《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》（GB 50666—2011）建議的壓力差法進(jìn)行測試，在主和被動(dòng)端各安裝一個(gè)壓力傳感器（或千斤頂），逐級(jí)施加張拉控制力，記錄主和被動(dòng)端的壓力表讀數(shù)，經(jīng)對(duì)千斤頂和錨固件裝置上摩擦力修正后，得到實(shí)際的預(yù)應(yīng)力筋兩端的壓力。通過二者之差來反映預(yù)應(yīng)力筋與其孔道之間摩擦造成的預(yù)應(yīng)力損失。

2.1 摩擦系數(shù)

預(yù)應(yīng)力筋在主和被動(dòng)端的損失系數(shù)［5］分別為：

式中：K1為在喇叭口處和錨具內(nèi)的機(jī)械摩擦系數(shù)；K2A為主動(dòng)端千斤頂內(nèi)的機(jī)械摩擦系數(shù)；K2B為被動(dòng)端千斤頂內(nèi)的機(jī)械摩擦系數(shù)；K1、K2A和K2B的數(shù)值均由預(yù)應(yīng)力公司提供。

修正后的主動(dòng)端壓力［6］為：

式中：pa為主動(dòng)端千斤頂讀數(shù)；S 為千斤頂活塞面積。

修正后的被動(dòng)端壓力［6］為：

式中：pp為被動(dòng)端千斤頂讀數(shù)；S 為千斤頂活塞截面積。

摩擦力試驗(yàn)用于測量預(yù)應(yīng)力筋在孔道中因摩擦引起的應(yīng)力損失，根據(jù)測得的結(jié)果確定設(shè)計(jì)所采用的摩擦系數(shù)［7，8］和摩擦影響系數(shù)［7，8］：

式中：κ為考慮孔道每米長度局部偏差的摩擦影響系數(shù)；l為張拉端到計(jì)算截面的孔道長度，m；μ為預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的摩擦系數(shù)；θ 為從張拉端至計(jì)算截面曲線孔道部分切線的夾角，rad；paM=pa（1 -KA），ppM=pp/（1 -KB）。

2.2 預(yù)應(yīng)力筋的伸長量

預(yù)應(yīng)力筋張拉伸長量采用預(yù)應(yīng)力公司建議的經(jīng)驗(yàn)公式，在0～15MPa 范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋伸長量由插值法得到。預(yù)應(yīng)力筋總伸長量為：

式中：pa0為主動(dòng)端千斤頂讀數(shù)；Δ15～pa0為在15MPa至pa0范圍內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋的伸長量。

3 預(yù)應(yīng)力摩擦損失試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力筋

預(yù)應(yīng)力摩擦損失試驗(yàn)在安全殼內(nèi)殼上進(jìn)行。由于三類預(yù)應(yīng)力筋孔道成型材料不同、孔道所處位置和形狀亦不盡相同，試驗(yàn)選取的有典型性和代表性的預(yù)應(yīng)力筋見圖3，水平預(yù)應(yīng)力筋有4 束，自下而上依次為hhTd007、hhTd010（補(bǔ)充）、hhTd011 和hhTd034；豎向預(yù)應(yīng)力筋有3 束，自左而右依次為vvTd072、vvTd102（考慮洞口1 的影響）和vvTd017；穿過穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力筋4 束，自左而右依次為GmTd031、GmTd016、GmTd014（補(bǔ)充）和GmTd006。這樣可以保證最終取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖3 試驗(yàn)預(yù)應(yīng)力筋Fig.3 Prestressed tendons in the field test

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用千斤頂C1500F，其基本參數(shù)：活塞面積，2006cm2；活塞行程，500mm（控制在480mm以內(nèi)）；最大壓力，700bar；P6M 油泵容量，45L；1/1000型壓力表精度，±0.5%。

3.3 試驗(yàn)過程

澆筑混凝土完成248d 后，混凝土強(qiáng)度達(dá)到60MPa，在預(yù)應(yīng)力筋的張拉端和錨固端各安裝一臺(tái)千斤頂，開始張拉預(yù)應(yīng)力筋，每束預(yù)應(yīng)力筋的張拉分三個(gè)階段［9］進(jìn)行：（1）在主動(dòng)端施加15MPa的初始控制應(yīng)力，對(duì)各束預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行預(yù)緊；（2）采用分級(jí)逐步施加張拉控制力，以5MPa的增量進(jìn)行張拉預(yù)應(yīng)力筋，在每個(gè)增量及其最終壓力時(shí)記錄主和被動(dòng)端的油壓表讀數(shù)及其相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋伸長值；（3）拆除被動(dòng)端千斤頂上的特殊閉鎖彈簧，分級(jí)施加至張拉控制力，記錄相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力筋伸長值。

4 結(jié)果與討論

對(duì)4 束水平預(yù)應(yīng)力筋、3 束豎向預(yù)應(yīng)力筋和4 束穿過穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力摩擦損失進(jìn)行一系列的現(xiàn)場試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，其中pa、pp、KA、KB、θ、l、κ 和Δltest為原始測試數(shù)據(jù)，paM和ppM為中間結(jié)果。

由表2 可以看出，由于預(yù)留孔道因施工中產(chǎn)生局部偏差、孔壁粗糙、預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計(jì)等原因，同類型預(yù)應(yīng)力筋的摩擦系數(shù)相近，不同類型預(yù)應(yīng)力筋的摩擦系數(shù)不同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本反映了預(yù)應(yīng)力筋與孔道的摩擦情況。水平預(yù)應(yīng)力筋、豎向預(yù)應(yīng)力筋和穿過穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力筋的平均摩擦系數(shù)分別為0.1016、0.0614 和0.0744，而其設(shè)計(jì)值分別為0.1000、0.0600 和0.0750，其偏差分別為+2%、+2%和-1%，預(yù)應(yīng)力筋的摩擦系數(shù)取值合理，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。經(jīng)摩擦系數(shù)調(diào)整后，通過現(xiàn)場試驗(yàn)與理論設(shè)計(jì)伸長量對(duì)比，預(yù)應(yīng)力筋伸長量偏差均符合-5%～+8%的要求。

表2 不同類型的預(yù)應(yīng)力筋摩擦試驗(yàn)Tab.2 Friction test of different types of prestressed tendons

5 結(jié)語

本文針對(duì)某EPR 核電站安全殼預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，研究水平預(yù)應(yīng)力筋、豎向預(yù)應(yīng)力筋和穿過穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力摩擦損失。同類型預(yù)應(yīng)力筋的摩擦系數(shù)相近，不同類型預(yù)應(yīng)力筋的摩擦系數(shù)不同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本反映了預(yù)應(yīng)力筋與孔道的摩擦情況。