某EPR核电站安全壳预应力摩擦损失的试验研究*

2023-01-12林树潮胡志强韩建强

特种结构 2022年6期

关键词：安全壳孔道摩擦系数

林树潮胡志强韩建强

1.天津大学建筑工程学院土木工程博士后流动站 300072

2.泰山学院机械与建筑工程学院泰安271000

3.华北理工大学建筑工程学院唐山063210

1 工程概况

本文以广东台山核电项目2 号机组核岛安全壳为背景，该EPR核电站安全壳［1，2］分为安全壳外壳和内壳，外壳为钢筋混凝土结构，内壳为预应力钢筋混凝土结构，内外安全壳之间存在1.8m宽的环形区域，内壳预应力施工采用后张法。内壳主要由基础底板、壳壁和穹顶构成，如图1 所示，壳壁和穹顶通过环梁连接。基础底板位于-8.000m 以下；壳壁内径23.4m，壁厚1.3m，高度53.796m；穹顶内径32.0m，壁厚1.0m，高度8.063m。基础底板混凝土强度等级为C50，而其他区域则为C75。在壳壁的环向角度0°、112°、230°处各有一扶壁柱。典型的四个闸门洞口列于表1。

图1 内安全壳剖面（单位：m）Fig.1 Section plane of inner containment vessel（unit：m）

表1 闸门洞口Tab.1 Gate openings

预应力筋线型复杂，吨位可达1200t。预应力系统主要［3］由水平预应力筋（hhTd，119 束55C15）、竖向预应力筋（vvTd，47 束54T15.7）和穿过穹顶的预应力筋（GmTd，104 束54T15.7）构成，如图2 所示，共有270 束。采用法国Freyssinet公司的“C”系列锚固系统55C15。每束预应力筋由54 股公称直径为15.7mm、公称面积为150mm2的七丝高强低松弛钢绞线组成。张拉控制应力均为1488MPa，则相应的张拉控制力均为1.2 ×107N。预应力筋材料屈服强度标准值为1860MPa，弹性模量为（1.95 ±0.10）×1011N/m2，延伸率大于等于3.5%，面积缩小率大于等于25%，当张拉控制应力时，1000h 应力松弛值小于等于4.0%。

图2 预应力系统Fig.2 Prestressed tendon system

hhTd孔道成型采用φ160mm 金属波纹管［4］，由0.6mm的磷化皂化钢带通过卷管机SR200卷制而成。vvTd 和GmTd 的孔道成型采用φ165.3 ×3mm薄壁钢管，通过弯管机SR200 与扩口机加工而成。对于孔道和设备贯穿件等过渡部位亦采用外径φ165.3 ×3.0mm薄壁钢管。

为验证预应力筋受力计算时所采用的摩擦系数与现场施工中所产生的摩擦损失系数是否一致，从而准确地确定预应力筋的预应力值，要求在正式施工前对不同类型的预应力筋进行摩擦试验。

2 试验原理

采用《混凝土结构工程施工规范》（GB 50666—2011）建议的压力差法进行测试，在主和被动端各安装一个压力传感器（或千斤顶），逐级施加张拉控制力，记录主和被动端的压力表读数，经对千斤顶和锚固件装置上摩擦力修正后，得到实际的预应力筋两端的压力。通过二者之差来反映预应力筋与其孔道之间摩擦造成的预应力损失。

2.1 摩擦系数

预应力筋在主和被动端的损失系数［5］分别为：

式中：K1为在喇叭口处和锚具内的机械摩擦系数；K2A为主动端千斤顶内的机械摩擦系数；K2B为被动端千斤顶内的机械摩擦系数；K1、K2A和K2B的数值均由预应力公司提供。

修正后的主动端压力［6］为：

式中：pa为主动端千斤顶读数；S 为千斤顶活塞面积。

修正后的被动端压力［6］为：

式中：pp为被动端千斤顶读数；S 为千斤顶活塞截面积。

摩擦力试验用于测量预应力筋在孔道中因摩擦引起的应力损失，根据测得的结果确定设计所采用的摩擦系数［7，8］和摩擦影响系数［7，8］：

式中：κ为考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦影响系数；l为张拉端到计算截面的孔道长度，m；μ为预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数；θ 为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角，rad；paM=pa（1 -KA），ppM=pp/（1 -KB）。

2.2 预应力筋的伸长量

预应力筋张拉伸长量采用预应力公司建议的经验公式，在0～15MPa 范围内预应力筋伸长量由插值法得到。预应力筋总伸长量为：

式中：pa0为主动端千斤顶读数；Δ15～pa0为在15MPa至pa0范围内预应力筋的伸长量。

3 预应力摩擦损失试验

3.1 试验预应力筋

预应力摩擦损失试验在安全壳内壳上进行。由于三类预应力筋孔道成型材料不同、孔道所处位置和形状亦不尽相同，试验选取的有典型性和代表性的预应力筋见图3，水平预应力筋有4 束，自下而上依次为hhTd007、hhTd010（补充）、hhTd011 和hhTd034；竖向预应力筋有3 束，自左而右依次为vvTd072、vvTd102（考虑洞口1 的影响）和vvTd017；穿过穹顶的预应力筋4 束，自左而右依次为GmTd031、GmTd016、GmTd014（补充）和GmTd006。这样可以保证最终取得试验数据的可靠性。

图3 试验预应力筋Fig.3 Prestressed tendons in the field test

3.2 试验设备

采用千斤顶C1500F，其基本参数：活塞面积，2006cm2；活塞行程，500mm（控制在480mm以内）；最大压力，700bar；P6M 油泵容量，45L；1/1000型压力表精度，±0.5%。

3.3 试验过程

浇筑混凝土完成248d 后，混凝土强度达到60MPa，在预应力筋的张拉端和锚固端各安装一台千斤顶，开始张拉预应力筋，每束预应力筋的张拉分三个阶段［9］进行：（1）在主动端施加15MPa的初始控制应力，对各束预应力筋进行预紧；（2）采用分级逐步施加张拉控制力，以5MPa的增量进行张拉预应力筋，在每个增量及其最终压力时记录主和被动端的油压表读数及其相应的预应力筋伸长值；（3）拆除被动端千斤顶上的特殊闭锁弹簧，分级施加至张拉控制力，记录相应的预应力筋伸长值。

4 结果与讨论

对4 束水平预应力筋、3 束竖向预应力筋和4 束穿过穹顶的预应力筋的预应力摩擦损失进行一系列的现场试验，试验数据见表2，其中pa、pp、KA、KB、θ、l、κ 和Δltest为原始测试数据，paM和ppM为中间结果。

由表2 可以看出，由于预留孔道因施工中产生局部偏差、孔壁粗糙、预应力筋设计等原因，同类型预应力筋的摩擦系数相近，不同类型预应力筋的摩擦系数不同，试验数据基本反映了预应力筋与孔道的摩擦情况。水平预应力筋、竖向预应力筋和穿过穹顶的预应力筋的平均摩擦系数分别为0.1016、0.0614 和0.0744，而其设计值分别为0.1000、0.0600 和0.0750，其偏差分别为+2%、+2%和-1%，预应力筋的摩擦系数取值合理，与试验数据吻合较好。经摩擦系数调整后，通过现场试验与理论设计伸长量对比，预应力筋伸长量偏差均符合-5%～+8%的要求。