“华龙一号”核电厂倒U形预应力钢束摩擦力试验研究.pdf

收稿日期:作者简介:曹钟引(),男,四川绵阳人,高级工程师/一级建造师,学士,从事土建结构和工程管理相关工作(E m a i l c a o z y c n n p 敭 c o m敭 c n).“华龙一号”核电厂倒U形预应力钢束摩擦力试验研究曹钟引,陈伟(海南核电有限公司,海南昌江 )摘要:“华龙一号”作为完全自主知识产权当代核电技术,其内层安全壳采用了倒U水平预应力布置的预应力混凝土结构,在预应力正式施工前为了测试预应力孔道的摩擦力系数与设计数值的吻合度,需要选定特定的钢束通过千斤顶进行逐级拉伸测试其伸长值、拉力值,通过计算得出实际的摩擦系数.设计人员根据试验结果与理论数值的对比,验证和判断预应力孔道的成孔效果,并以此判断是否需要调整设计摩擦系数、张拉力和伸长值等理论数据.作为首堆工程,针对“华龙一号”核电厂倒U形钢束的摩擦力试验结果具有很好代表性和指导性.关键词:“华龙一号”;预应力;摩擦力试验;倒U形钢束;伸长值中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:()E x p e r i m e n t a l S t u d yo nF r i c t i o nT e s t o f I n v e r t e dU S h a p e dT e n d o n sa tH P R C AOZ h o n g y i n CHE N W e i H a i n a nN u c l e a rP o w e rC o 敭 L t d 敭 C h a n g j i a n g H a i n a nP r o v 敭 C h i n a A b s t r a c t A s a f u l l y i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yo f c o n t e m p o r a r yn u c l e a rp o w e r t e c h n o l o g y H P R h a sb e e nu s e df o r t h e f i r s t t i m e i n i t s i n v e r t e dU s h a p e dp r e s t r e s s e dc o n c r e t e s t r u c t u r e 敭 B e f o r e t h e f o r m a l c o n s t r u c t i o no fp r e s t r e s s e dc o n c r e t e i no r d e rt ot e s t t h ec o n s i s t e n c yb e t w e e nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t h ep r e s t r e s s e dd u c ta n d t h ed e s i g nv a l u e s p e c i f i c s t e e l t e n d o n sn e e d t ob e s e l e c t e d t h r o u g h j a c k s f o r s t e p b y s t e p t e n s i l e t e s t i n go f t h e i re l o n g a t i o na n dt e n s i o nv a l u e s a n dt h ea c t u a l f r i c t i o nc o e f f i c i e n tn e e d st ob ec a l c u l a t e d 敭 B a s e do nt h ec o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a lv a l u e s d e s i g n e r sv e r i f ya n dj u d g et h ep o r ef o r m i n ge f f e c t o f p r e s t r e s s e dd u c t s a n du s e t h i s t od e t e r m i n ew h e t h e r t h e o r e t i c a l d a t a s u c ha sd e s i g n f r i c t i o nc o e f f i c i e n t t e n s i l e f o r c e a n de l o n g a t i o nv a l u en e e dt ob ea d j u s t e d 敭A s t h e f i r s t r e a c t o rp r o j e c t t h e f r i c t i o nt e s t r e s u l t s f o rt h e i n v e r t e dU s h a p e ds t e e l b e a mo f t h eH P R n u c l e a rp o w e rp l a n t a r ev e r yr e p r e s e n t a t i v ea n dg u i d i n g 敭K e yw o r d s H P R p r e s t r e s s f r i c t i o nt e s t i n v e r t e d Ut e n d o n s e l o n g a t i o nv a l u eC L Cn u m b e r TM A r t i c l e c h a r a c t e r AA r t i c l e I D 引言“华龙一号”是我国自主研发设计具有完全自主知识产权的三代核电技术,年首堆示范工程在福建福清核电号机组落地建设.“华龙一号”采用了目前最新的安全和设计标准,是国家“一带一路”倡议走出去的名片.“华龙一号”反应堆厂房内层安全壳采用了后张拉预应力混凝土结构,内衬mm厚钢板,作为反应堆防止辐射物污染环境的第三道屏障,其预应力采用了核电行业全新的环向倒U形布置,单束孔道钢绞线长度接近 m,重量达到了 t,工程量和施工难度超过了目前国内二代改进型核电机组.概况福清核电号机组是全球首个开工建设的国产三代核电“华龙一号”,其内层安全壳预应力系统采用的是水平环向和倒U形两种布置形式,其中水平 束、倒U形 束,每束 根 mm MP a G B/T 低 松 弛 钢 绞线,钢 绞 线 是 由根 钢 丝 捻 制,公 称 直 径 为 mm,参考截面积为 mm,抗拉强度不小于 MP a,弹性模量为()G P a,整个预 应 力 锚 固 系 统 采 用 法 国 法 西 奈 公 司 的 C 系列,钢绞线与锚夹具之间需要进行性能锚固试验,验证其匹配性.按照设计院下发的技术文件要求,在对钢束进行正式张拉前,需要进行摩擦力试验,摩擦力试验针对两种布置形式分别选取束,倒U形钢束选取V、V、V 号钢束为试验对象,其中V 号钢束为备用钢束.本文将选取倒U形钢束V 号钢束试验情况进行分析和研究.试验原理试验需要两台千斤顶,两端的千斤顶和锚固系统相同,分别安装在钢束的两端.摩擦力试验采用单端张拉.通过千斤顶施加应力的一端为“主动端”,承受应力的另一端称为“被动端”.主动端千斤顶施加荷载,经过各项摩擦损失后传递给被动端,应力通过两台千斤顶测得的压力确定,考虑千斤顶和锚固件的摩擦损失修正后,将数据进行计算,最终得出摩擦系数,伸长值通过钢尺测量获得.验证 需验证数据试验的验证主要为四个方面的数据:)实测被动端压力值与设计被动端压力值进行比对;)实测主动端钢束伸长值与设计主动端伸长值进行比对;)实测总伸长值与设计总伸长值进行比对;)试验测定的摩擦系数验证设计所采用的摩擦系数.通过以上四个数据的对比检验实测值是否满足要求.验收准则根据试验实测数据以及最终计算结果,当满足以下三个条件时,则试验得出的和是可用的;否则,需要设计人员重新评估计算.条 件 一:第 一 阶 段 伸 长 值 llA l;条件二:第二阶段伸长值 l(lAlB)l;条件三:第一阶段 bB b.其中,l和lA是第一阶段的理论伸长值和测量的伸长值;l和lB第一阶段第二阶段是总的理论伸长值和第二阶段测量的伸长值;b和B是第一阶段钢束被动端理论应力(锚垫板起始位置)和第一阶段钢束被动端实测应力(锚垫板起始位置).重要参数的确定试验验证的各项数据需要进行测量数据的二次计算,主要涉及摩擦力系数以及张拉压强,其中张拉压强主要涉及伸长值的最终确定以及摩擦系数的确定.摩擦力系数计算计算的原理公式如下:T(s)Te()()式中:T(s)被动端的钢束力值;T 主动端的钢束力值;孔道与钢束之间的摩擦因数;孔道局部偏差对摩擦的影响系数;从主动端至被动端的孔道长度;从主动端至被动端的总偏斜角.由此可以推算出摩擦因数计算公式:l n(T/T(s)()其中各参数的值已由设计图纸和设备供应商提供,其计算原理如下:)钢束的总偏斜角计算钢束的总偏斜角由钢束孔道的各段曲线i累加得到,即i(i,n);其中i的计算根据设计图纸钢束孔道的坐标(x,y,z)及 其 曲 率 半 径ri计 算 得i s i n diri(r a d).)钢束的总长度钢束的总长度由各段曲线i累加得到,即i(i,n),每一段曲线i等于其夹角i和曲率半径ri的乘积.综 上,V 号 钢 束 相 关 的 参 数 值:m;r a d;.张拉压强的计算计算的原理公式如下:PFSt(K)()式中:F 规定钢束张拉力,单位k N;P 千斤顶最终压强(千斤顶油泵压力表显示),单位b a r(b a r MP a);St 张拉腔面积,St c m;K 试验期间记录的压力应考虑锚固区域的摩擦损失和千斤顶的摩擦力损失系数.钢束的伸长值是按假定锚板起始位置的钢束张拉应力为 MP a进行计算的,千斤顶张拉力应保 证 锚 垫 板 起 始 位 置 的 钢 束 张 拉 应 力 为 MP a,为达到所需荷载,根据锚固区域和千斤顶的摩擦损失修正千斤顶施加的荷载,后得出上述最终压强公式.主动端千斤顶张拉力应力控制值为 M P a时,主动端最终张拉力根据简单的力学公式Fn s MP a mm k N,将结果代入张拉压强计算公式:P /()b a r b a r,即油泵压力表的最终控制值.千斤顶张拉过程油泵数显压力:主动端压力Pa;被动端压力Pp;警戒压力Pa w,此压力值是为了避免钢束过度张拉,在临近最终压力P的取 最重压力作为警戒值,因此Pa w取值 P.按照上述计算原理,考虑锚固端及千斤顶内摩擦损失后钢束本身的修正压力:由于千斤顶内部摩擦损失的存在,对于主动端而言油泵施加给钢束的力经过千斤顶以后存在损失,因此钢束的真实受力应该减去千斤顶内部摩擦损失;而对于被动端,钢束传给被动端压力表的力已经经过千斤顶内部的摩擦损失,因此,需要加上千斤顶内部摩擦损失.由此最终修正后主动端实际压力Pa aPa(K);修正 后 被 动 端 实 际 压 力Pp aPb(K),带入公式()得:Pp a/Pa ae x p()即(l nPa a l nPp a)综上,可以计算摩擦系数,张拉伸长值则根据各级加载力值直接用标定好的钢尺测量.试验流程与方法 试验第一阶段第一步,主动端千斤顶安装.先使用工具将钢束主动端所有夹片敲入锚固块锥形孔内,对C C 千斤顶回程腔加压,使千斤顶的工具夹片张开,以便钢绞线可以顺利进入.然后按照千斤顶与实体锚固块对应的形式安装主动端张拉千斤顶,封闭千斤顶的液压锁定活塞以确保锚固夹片能充分从锥形孔脱开,让千斤顶承受张拉力,并在钢绞线上做好标记,作为后期测量伸长值读数记号.第二步,安装被动端千斤顶,与主动端要求相同.由于被动端的受力必须完全由千斤顶内的夹具来承载,不得传递至锚固块,因此,锚固块中的夹片应在张拉后完全脱开,钢绞线的受力完全由千斤顶承担.为达到这样的要求,将千斤顶闭锁活塞缩回并隔离,以便锚固块夹片能够由锚固块锥形孔中脱开,从而确保钢束负荷完全由千斤顶承载,使液压系统无法进行闭锁活塞的缩回操作.具体操作是:安装被动端千斤顶使其前端距离锚固块 mm左右,启动被动端千斤顶压力升至 b a r,继续缓慢加压至 b a r,然后慢慢地减小压力,使活塞回收约mm,此时锚固块中的夹片退出,千斤顶中的额摩擦力方向转变为被动方向,然后关闭张拉腔的液压管路,并在钢绞线上做好标记,作为后期测量伸长值读数记号.第三步,测出钢绞线两端伸长值初始值.第四步,主动端千斤顶升压到 b a r,同时记录被动端压力值、钢绞线拉入值以及主动端伸长值,此后按照每级 b a r增加压力值至警戒压力(Pa w)和最终压力(P b a r),同时记录被动端压力值、伸长值以及主动端伸长值.试验第二阶段第一步,被动端回顶锚固块夹片固定钢绞线,同时卸载被动端千斤顶压力,将主动端千斤顶张拉到 b a r,同时也将锚固块夹片锁紧后泄压.记录两端钢绞线伸长值,特别注意测量主动端泄压后的钢绞线回缩值.第二步,打开被动端千斤顶张拉腔油路,被动端张拉到 b a r,并记录伸长值.注意记录被动端泄压后锚具回缩值.试验检测数据处理阶段绘制被动端压力与主动端应力曲线,绘制第一阶段主动端伸长与主动端应力曲线.绘制第二阶段被动端应力与伸长的应力曲线.试验示意图如图所示.图张拉端与倒U形钢束张拉示意图F i g T h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t e n s i o n i n ge n da n d i n v e r t e dU s h a p e d t e n d o n s 实验数据与曲线分析 试验数据主动端设为A端,两根钢绞线标记、,被动端设为B端,两根钢绞线标记、.油缸伸长仅作为参考使用.)主动端试验数据如表所示.表主动端数据T a b l eD a t ao f t h e t e n s i o ne n d序号实际压力/b a r压力表显示/b a r伸长值/mm第一阶段标记第一阶段标记平均伸长lA第二阶段标记第二阶段标记 续表序号实际压力/b a r压力表显示/b a r伸长值/mm第一阶段标记第一阶段标记平均伸长lA第二阶段标记第二阶段标记 补到 b a r (回缩)注:实际压力为考虑了锚固端及千斤顶内摩擦损失后的修正应力.)被动端试验数据采集原理与主动端一致.需要注意实际压力为考虑了锚固端及千斤顶内摩擦损失后的修正应力.被动端B端序号对应主动端A端序号,为主动端千斤顶 b a r时的A B端应力及伸长,以此类推到序号,对应主动端 b a r/b a r时被动端的应力及伸长.)锚具夹片回缩值计算.千斤顶达到最大张拉力值后到卸载,根据设备参数,千斤顶在 最终拉力机千斤顶缸体打开的情况下的缩进修正值L mm,张拉到 b a r/M P a,泄压千斤顶,主动 端 与 被 动 端 钢 绞 线 分 别 回 缩 mm、mm.分别减去L,即从 b a r,锚具分别回缩了 mm和 mm,这个数值在伸长值计算中需要考虑.)摩擦因数计算.第一阶段末,主动端A端千斤顶拉力为 b a r/b a r时,被动端B端千斤顶拉力 b a r/b a r.此时摩擦力系数按照 公 式()和 公 式()计 算,结 果 为:m,r a d,计算摩擦因数结果 .数据分析与计算通过数理统计中的线性回归函数进行数据的分析,相关的函数由E x c e l软件自带,将正式试验数据代入可得相应的回归函数和图表,此方式可以显示出实际与理论的偏差情况,更加直观.回归方 程 中 的x为 主 动 端 的 值、y为 被 动 端的值.第一阶段曲线,主动端应力与被动端应力,主动端应力与主动端伸长曲线,其线性回归情况见图.图主动端、被动端应力与伸长关系图F i g D i a g r a mo f a c t i v ee n da n dt e n s i o ne n ds t r e s sa n de l o n g a t i o n图中R为回归系数,表示拟合程度,越接近,说明拟合程度越高.橙色虚线为主动端应力与被动端应 力 的 线 性 回 归 线,是 一 条 直 线,R ,当主动端应力为 MP a/压力表显示 b a r.蓝色虚线为主动端应力与伸长值的线性回归线,用被动端大于 b a r的点建立一元线性方程,y x ,R .当x时,y,所以伸长值与主动端压力公式修正为:y x.b a r/表显示 b a r到 b a r/表显示 b a r实测值:mm,b a r/表显示 b a r回归值:mm,总长 mm.第二阶段曲线,被动端的伸长值随被动端张拉的回归情况.图被动端应力与伸长关系图F i g D i a g r a mo fp a s s i v ee n ds t r e s sa n de l o n g a t i o n图中R为回归系数,表示拟合程度,越接近,说明拟合程度越高.图中橙色虚线为伸长值的 二 元 回 归 线,y x x .R .当x 时,y,则有 被 动 端 压 力 与 伸 长 公 式 修 正 为:y x x .实 际 测 量 从 b a r/压力表显示 b a r.即 b a r开始到 b a r,伸长 mm.第一阶段被动端已经张拉 b a r/表显示 b a r;从 b a r/表显示 b a r到 b a r/压力表显示 b a r之间伸长,经过回归后的伸长值 mm,第二阶段被动端伸长值,即 mm.通过图表可以很清晰看到实际值与理论值之间的拟合情况,为数据的分析提供了可视化的参考.理论伸长值计算)第一阶段钢束理论伸长值laac,其中,acljaEbE式中:a 主动端锚垫板起始位置与被动端锚垫板起始位置之间的钢束理论伸长值,由设计给定,取值 mm;ac 第一阶段时千斤顶内钢束伸长值;a 钢束主动端应力,取值 MP a;b 第一阶段钢束被动端理论应力(锚垫板起始位置)由设计直接给出,取值 M P a;lj 工具锚端部到锚垫板起始位置的钢束长度,设备给定此处为 mm;E 钢绞线弹性模量,取值 MP a.所以最终第一阶段理论伸长值l m m.)第二阶段钢束理论伸长值laac,其中,acljaEbE式中:a为主动端锚垫板起始位置与被动端锚垫板起始位置之间的钢束理论伸长值(第二阶段),由设计给定,取值 mm;ac为第二阶段时千斤顶内钢束伸长值:a为钢束主动端应力,取值 MP a;b第一阶段钢束被动端理论应力(锚垫板起始位置),取值 MP a.所以最终第二阶段被动端理论伸长值l mm.)钢束的总伸长值根据前文公式可得钢束的总伸长值:lll mm.试验结果分析试验数据对比如表所示.表试验数据对比T a b l eC o m p a r i s o no f t e s td a t a倒UV 第一阶段被动端应力第一阶段伸长值总伸长值张拉控制应力摩擦系数理论值 MP a mm mm检测值 MP a mm mm检测/理论 MP a 续表倒UV 第一阶段被动端应力第一阶段伸长值总伸长值张拉控制应力摩擦系数设计要求 结合试验数据,按照三个验证条件进行对比,发现在进行验证条件一的数据对比时发生如下 情 况:第 一 阶 段 伸 长 值 l lA l,结果显示lA mm,l mm,因此实测数据比理论值小.试验后经过分析原因主要有两点:一是由于选取V 钢束孔道中间有较多的大拱度和大锤度,实际伸长值会受到影响;二是孔道的摩擦因数偏大.为了验证这两个原因分析的真实性,后续针对倒U形钢束又进行了三束不同位置的钢束试验,但结果均出现验证条件一无法满足的情况,设计人员针对该情况批复了正式工程,但同时需要继续采集数据,正式工程的数据进一步佐证了原因分析二,因此在后续机组中设计人员对计算的摩擦力系数进行了调整.结束语“华龙一号”首堆机组的预应力工程通过应力和应变双重控制,反馈到工程实体上就是伸长值和张拉力,而最终将两者统一到一起的便是摩擦因数,因此摩擦力试验对预应力后续正式施工有着非常重要的指导作用,直接关系到张拉过程控制,预应力施工寿命,间接关系到核电厂安全屏障的完整性和耐久性.因此对于数据的采集和研究也显得非常谨慎,设计单位也根据本次试验的结果,全程评估和采集了整个机组的试验数据,最终进行相关参数的调整,调整后的数据在后续机组建设中被证明是适用的,这也证明了本次摩擦力试验是成功的.本次试验为国产三代核电机组建设中预应力工程提供了非常宝贵的技术参考资料,也给设计优化提供了宝贵的一线施工数据.参考文献:缪成翔岭澳核电站安全壳预应力摩擦系数试验J建筑结构,():魏建国田湾核电站安全壳预应力张拉技术J建筑技术,():马利振,严薇预应力筋伸长值偏差控制J施工技术,():中华人民共和国国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会:预应力混凝土用钢绞线:G B/T S北京:中国标准出版社,E OT A F r e y s s i n e tE T A/F r e y s s i n e tE u r o p e a nT e c h n i c a lA p p r o v a lP r e s t r e s s i n g K i to fS t r u c t u r eSF r a n c e,