“華龍一號(hào)”鋼筋籠模塊化施工技術(shù)研究與應(yīng)用

王然

摘要：“華龍一號(hào)”是我國(guó)自主研發(fā)的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站，施工建設(shè)中單堆鋼筋使用量達(dá)到了10萬(wàn)t，由于鋼筋密集，導(dǎo)致施工難度較大。同時(shí)，技能水平較高的工人日益稀缺，組織大規(guī)模的工人長(zhǎng)期從事繁重體力勞動(dòng)的難度逐漸增大，鋼筋工程施工需要進(jìn)行工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)。針對(duì)以上現(xiàn)狀，文章根據(jù)裝配式施工理念開(kāi)展鋼筋籠模塊化施工技術(shù)研究，首先，通過(guò)有限元進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證了方案的可行性；其次，選擇內(nèi)部結(jié)構(gòu)SG2鋼筋模塊實(shí)施論證，進(jìn)一步確定工藝的先進(jìn)性，最后，與傳統(tǒng)工藝在施工方法、質(zhì)量、安全、工期、投入方面進(jìn)行分析對(duì)比，體現(xiàn)出墻體鋼筋籠模塊化施工技術(shù)在大直徑、密集型鋼筋工程中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)類似工程具有重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：“華龍一號(hào)”；鋼筋籠模塊化；施工技術(shù)；預(yù)制工裝；吊裝工裝

中圖分類號(hào)：TM623.4? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）02-0091-04

0 引言

鋼筋工程作為核工程土建施工的分項(xiàng)工程，其重要性在建造過(guò)程中所占比重很大，直接影響工程建設(shè)的進(jìn)度、質(zhì)量、成本及施工安全。然而，核工程領(lǐng)域鋼筋工程仍以傳統(tǒng)人工操作為主，施工效率不高、施工周期較長(zhǎng)，已不能滿足核電領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展的需求。同時(shí)，技能水平較高、經(jīng)驗(yàn)豐富的工人日益稀缺，組織大規(guī)模工人長(zhǎng)期從事繁重的體力勞動(dòng)不現(xiàn)實(shí)。因此，核電施工領(lǐng)域必須進(jìn)行工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，緩解勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)環(huán)境。

隨著裝配式、工業(yè)化建造技術(shù)在我國(guó)的大力推廣，民用領(lǐng)域涌現(xiàn)出一批裝配式施工方法，部分實(shí)現(xiàn)了建筑的工業(yè)化生產(chǎn)，保障了施工質(zhì)量，提高了施工效率，改善了施工環(huán)境。但是，民用領(lǐng)域鋼筋工業(yè)化生產(chǎn)中大部分使用的是直徑較小的鋼筋，而核電領(lǐng)域使用的鋼筋直徑相對(duì)較大，民用領(lǐng)域的裝配式施工方法不能直接應(yīng)用在核電工程土建領(lǐng)域。因此，從解決用工難、提高施工效率、改善作業(yè)環(huán)境等方面考慮，開(kāi)展核電領(lǐng)域鋼筋籠模塊化施工技術(shù)研究迫在眉睫。

1 研究思路與試點(diǎn)選擇

1.1 工程概況

在漳州“華龍一號(hào)”融合技術(shù)首堆，將抗震設(shè)計(jì)基準(zhǔn)提高到了0.3 g加速度，為了抵抗抗震加速度，單堆配筋量達(dá)到了10萬(wàn)t，其中墻體鋼筋約6萬(wàn)t，墻體鋼筋普遍采用直徑為32 mm和40 mm的大直徑鋼筋（HRB500），墻體厚度為800～1 500 mm，墻體鋼筋縱向間距為200 mm，平均橫向間距為100 mm，墻體鋼筋密度平均達(dá)到76.8%，施工難度較大。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，在“華龍一號(hào)”建造過(guò)程中，傳統(tǒng)的鋼筋綁扎安裝施工工藝的工效為0.21～0.30 t/d，工效有待提高。

1.2 研究思路及目標(biāo)

本項(xiàng)目結(jié)合我國(guó)鋼筋工業(yè)化生產(chǎn)、安裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)核電工程大直徑、大配筋率鋼筋施工技術(shù)進(jìn)行研究，形成鋼筋“設(shè)計(jì)—生產(chǎn)—模塊施工”一系列標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化設(shè)計(jì)建造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼筋工程工業(yè)化生產(chǎn)、模塊化施工；推動(dòng)高效工業(yè)化建造模式在核電工程中的應(yīng)用，達(dá)到核電工程主體結(jié)構(gòu)施工周期縮短30%以上的預(yù)期目標(biāo)。

1.3 試點(diǎn)選擇

本項(xiàng)目選擇漳州核電站2號(hào)安全廠房（2SL）作為研究試點(diǎn)。廠房S6012墻體頂標(biāo)高為16.95 m，厚度為800 mm，位于2RS廠房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)西側(cè)，S6012墻體洞口多、埋件少，為提高施工效率，對(duì)2SL廠房S6012墻體（標(biāo)高為12.950 m～16.950 m，墻厚800 mm）由傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工方法改為場(chǎng)外預(yù)制，S6012墻體選取G～K軸段進(jìn)行鋼筋籠吊裝，鋼筋籠模塊1和模塊2的尺寸為4 050 mm×8 950 mm，分為2塊進(jìn)行吊裝，吊裝順序?yàn)?→2，模塊與模塊間、模塊與下部墻體豎向鋼筋間均采用加長(zhǎng)型雙螺套鋼筋接頭連接，鋼筋籠模塊1重約10 t，模塊2重約9.7 t［1］。

2 鋼筋籠模塊化施工可行性分析

2.1 總體實(shí)施思路

通過(guò)預(yù)制工裝輔助，將墻體鋼筋以水平預(yù)制方式在場(chǎng)外綁扎預(yù)制成鋼筋籠，利用大型吊車和專用吊裝工裝吊運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，采用高性能的接頭快速與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留鋼筋精準(zhǔn)對(duì)接和連接，實(shí)現(xiàn)鋼筋墻體模塊化施工。

2.2 鋼筋限位技術(shù)方案

原主體結(jié)構(gòu)預(yù)留鋼筋位置的準(zhǔn)確性直接影響鋼筋籠模塊的就位對(duì)接，因此必須嚴(yán)格控制安裝精度。鋼筋籠模塊預(yù)制前，安排專人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留插筋高度、位置進(jìn)行復(fù)核，插筋接頭標(biāo)高誤差不能超過(guò)20 mm，并確保被連鋼筋的位置在同一平面，便于連接安裝。使用加固工裝在立筋上端按照200 mm的間距將立筋固定［2］。兩片加固工裝安裝完成后，使用直徑為16 mm 的鋼筋或6 mm的鋼板將2片加固工裝進(jìn)行橫向連接，保證加固工裝的整體性。

2.3 預(yù)制工裝技術(shù)方案

在預(yù)制場(chǎng)地對(duì)鋼筋籠1、2模塊進(jìn)行預(yù)制。預(yù)制方式分為立式預(yù)制和臥式預(yù)制，立式預(yù)制能較好地保證模塊的精度，避免模塊在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生變形；臥式預(yù)制則能提高預(yù)制效率，并且不涉及高空作業(yè)，可以降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)?？紤]工藝過(guò)程的安全性和施工效率，本項(xiàng)目采用臥式進(jìn)行鋼筋籠模塊預(yù)制。工裝采用可拆卸式，在降低施工成本的同時(shí)更有利于模塊預(yù)制過(guò)程中的鋼筋綁扎。預(yù)制工裝示意圖如圖1所示。

圖1 預(yù)制工裝示意

2.4 吊裝工裝技術(shù)方案

鋼筋籠吊裝工裝［1］由2套吊索具系統(tǒng)（一套連接吊具與模塊，一套連接吊具與吊鉤）和吊具組成。為了提高工裝的通用性，吊裝工裝連接吊具與模塊的部分需要設(shè)置可調(diào)節(jié)裝置，以適用不同尺寸鋼筋模塊的吊裝［3］。吊裝工裝施工圖如圖2所示。

圖2 吊裝工裝施工示意圖

2.5 連接工裝技術(shù)方案

連接工裝需要使用精度較高的機(jī)械連接套筒，普通套筒的精度無(wú)法滿足鋼筋籠模塊化施工的需求。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，本項(xiàng)目最終選擇使用雙螺套接頭套筒，該套筒能夠?qū)⒅黧w結(jié)構(gòu)預(yù)留的鋼筋與鋼筋模塊鋼筋之間的對(duì)中及高度誤差消除在施工過(guò)程中。

2.6 鋼筋籠模塊吊裝技術(shù)方案

為加快吊裝時(shí)間，在鋼筋籠吊裝前，需要在墻體內(nèi)的豎向鋼筋安裝雙螺套長(zhǎng)內(nèi)螺套，在鋼筋籠下方安裝雙螺套短內(nèi)螺套，并將雙螺套長(zhǎng)內(nèi)螺套與外螺套擰至端部齊平。鋼筋籠底部四端設(shè)置溜繩，鋼筋籠中水平筋、立筋交叉點(diǎn)均使用14#鐵絲綁扎。吊索具通過(guò)連接吊車吊鉤與模塊吊耳，組成吊裝系統(tǒng)，吊裝系統(tǒng)需嚴(yán)格按照順序進(jìn)行連接，連接階段與順序如下。第一階段：可調(diào)拉桿與鋼架上吊耳吊索具連接，第二階段：300 t汽車吊吊鉤與主鋼絲繩連接（含主鋼絲繩與桁架連接），第三階段：鋼架下吊耳與模塊上吊耳連接［4］。

2.7 直墻段鋼筋籠吊裝計(jì)算

2.7.1 計(jì)算基本參數(shù)

2SL 直墻段鋼筋籠模塊1、模塊2 加固工裝主要由梁結(jié)構(gòu)構(gòu)成，材料選用Q235B；吊具主要由型材和板焊接而成，材料選用 Q235B；吊耳結(jié)構(gòu)為焊接板材結(jié)構(gòu)，材料選用 Q355B。直墻段鋼筋籠模塊1自重為10 t，預(yù)制工裝約0.39 t。模塊 2自重 為9.7 t，預(yù)制工裝約 0.39 t，吊梁自重 0.57 t。

采用有限元分析軟件，對(duì)模塊吊裝進(jìn)行分析，建模時(shí)應(yīng)遵循以下原則： 焊縫按結(jié)構(gòu)連接處理，忽略小的倒角；各板件厚度方向的位置以板厚中分面位置確定；模型采用正多邊形進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.7.2 邊界條件

工況 1 和工況2 中，在模塊內(nèi)部安裝預(yù)制工裝，工裝上部設(shè)置吊點(diǎn)，與下吊索連接，吊具上、下吊點(diǎn)分別與上、下吊索連接，4 根吊索的上頂點(diǎn)施加全約束。

工況 3 為吊具試驗(yàn)工況，吊具下部施加 20 t×1.25 的載荷，其中 1.25 為靜載試驗(yàn)系數(shù)。

工況 4和工況5為模塊水平起吊的狀態(tài)， 此時(shí)模塊呈水平放置，一端連接下吊索，尾部吊耳與地面吊耳鉸接， 對(duì)鉸點(diǎn)位置除鉸接方向旋轉(zhuǎn)的其他約束，一端對(duì)吊點(diǎn)位置全約束。

自重按照系數(shù)施加重力場(chǎng)作用于整個(gè)模型。風(fēng)載荷根據(jù)計(jì)算工況，均施加在對(duì)應(yīng)墻面的節(jié)點(diǎn)上。

2.7.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述模型、約束與載荷條件，對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。應(yīng)力與位移見(jiàn)表1。

表1 2SL模塊吊裝應(yīng)力與位移計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

[工況編號(hào) 吊具最大應(yīng)力

（MPa） 吊具最大變形

（mm） 工裝最大應(yīng)力

（MPa） 工裝最大變形

（mm） 工況 1 97.44 1.81 101.69 4.06 工況 2 93.24 1.80 110.69 4.69 工況 3 159.53 6.87 — — 工況 4 — — 76.2 0.47 工況 5 — — 19.37 1.16 ]

2.7.4 結(jié)論

通過(guò)以上有限元計(jì)算結(jié)果可知：①2SL直墻段鋼筋籠吊裝模塊1時(shí)，吊具最大應(yīng)力為97.44 MPa，最大變形為1.81 mm，工裝最大應(yīng)力為101.69 MPa，工裝最大變形為4.06 mm，滿足強(qiáng)度和剛度要求。②2SL直墻段鋼筋籠吊裝模塊2時(shí)，吊具最大應(yīng)力為93.24 MPa，最大變形為1.80 mm，工裝最大應(yīng)力為110.69 MPa，工裝最大變形為4.69 mm，滿足強(qiáng)度和剛度要求。③吊具靜載試驗(yàn)計(jì)算的最大應(yīng)力為159.53 MPa，最大變形為6.87 mm，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

綜上所述，鋼筋籠模塊化吊裝技術(shù)可行。

3 鋼筋籠模塊化施工驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述技術(shù)方案的可行性，選擇漳州核電2號(hào)核島內(nèi)部結(jié)構(gòu)SG2模塊進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 驗(yàn)證部位

SG2墻體包括環(huán)墻和R7201/R8201、R7202/R8202兩道直墻，環(huán)墻體頂標(biāo)高為30.35 m，環(huán)墻厚度為1 300 mm；直墻頂標(biāo)高為30.35 m，局部為21.45 m，R7201/R8201墻厚500/650 mm，R7202/R8202墻厚500/600 mm。

3.2 鋼筋定位

鋼筋定位工作是整個(gè)鋼筋籠吊裝成功與否的決定性因素。定位鋼板應(yīng)在鋼筋籠施工層段的上一層豎向鋼筋施工時(shí)預(yù)先擺放，提前限定立筋位置；定位鋼板與結(jié)構(gòu)邊線相對(duì)位置需嚴(yán)格控制，使預(yù)制鋼筋籠立筋接頭位置與現(xiàn)場(chǎng)插筋位置吻合；現(xiàn)場(chǎng)插筋施工前需提前安裝兩道定位鋼板，并且定位鋼板位置需要與預(yù)制工裝底座位置完全吻合。定位鋼板的安裝時(shí)機(jī)也需要考慮各種因素，若在插筋之前安裝，會(huì)導(dǎo)致插筋就位時(shí)活動(dòng)空間受限，就位過(guò)程中部分需要調(diào)整；若在插筋完成之后就位，插筋位置難以控制，頂板可能會(huì)難以就位且就位后位置會(huì)有偏差。最后選擇先定位鋼板、后插筋的施工順序。

3.3 鋼筋籠預(yù)制工裝

墻體鋼筋籠采用豎向預(yù)制，預(yù)制工裝由底座、立柱和頂板3個(gè)部分組成。底座是控制鋼筋籠豎向鋼筋平面位置，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留鋼筋精準(zhǔn)對(duì)接的關(guān)鍵部位，由10號(hào)槽鋼、10 mm鋼板及鋼套管焊接而成。由于墻體鋼筋籠單側(cè)兩排豎向鋼筋接頭錯(cuò)開(kāi)400 mm，因此底座呈臺(tái)階狀，內(nèi)高外低，外排采用10號(hào)槽鋼倒扣在平整地面上，內(nèi)排用10號(hào)槽鋼做立柱，上鋪10 mm的鋼板。將內(nèi)外排槽鋼焊接成整體，按照豎向鋼筋間距和平面位置，在10號(hào)槽鋼腹板和10 mm鋼板上焊接比鋼筋外徑略大的短鋼套管，鋼套管的尺寸必須精準(zhǔn)。墻體兩側(cè)的底座可在車間焊接成整體，也可在預(yù)制場(chǎng)地再拼接。

3.4 鋼筋籠吊裝工裝

根據(jù)鋼筋籠的外形，將吊裝工裝設(shè)計(jì)成方形，采用HW300 mm×300 mm型鋼制作［3］。在吊裝工裝下方與預(yù)制工裝立柱對(duì)應(yīng)的位置焊接下吊耳，通過(guò)可調(diào)吊索具連接，保證鋼筋籠豎直受力，減少吊裝過(guò)程中的變形。吊裝工裝上方設(shè)置上吊耳，通過(guò)吊索具與吊車吊鉤連接，并保證吊鉤與鋼筋籠重心位置重合。由于上、下鋼筋籠模塊的尺寸、重量和重心位置都不同，因此要采用同一套吊裝工裝，在吊裝工裝上焊接兩套吊耳。

3.5 鋼筋籠預(yù)制

鋼筋籠預(yù)制施工過(guò)程與方法如下［4］。

（1）依據(jù)吊裝方案確定墻體位置、重心坐標(biāo)，依據(jù)位置對(duì)墻體結(jié)構(gòu)邊線、重心點(diǎn)進(jìn)行投點(diǎn)放線。

（2）放線完成后搭設(shè)鋼筋籠操作架，然后進(jìn)行預(yù)制工裝底座定位、拼裝和加固，底座安裝完成后進(jìn)行標(biāo)高基準(zhǔn)線放線，根據(jù)基準(zhǔn)線調(diào)平底座。

（3）底座安裝完成后進(jìn)行立柱定位、安裝和加固，立柱安裝可從直墻到環(huán)墻依次進(jìn)行。

（4）立柱安裝完成后采用6#角鋼橫向?qū)⒘⒅附訛檎w，角鋼焊接位置與立柱挑梁位置相同。

（5）預(yù)制工裝連接加固后，對(duì)鋼筋籠依次進(jìn)行環(huán)墻內(nèi)側(cè)水平筋綁扎、環(huán)墻立筋綁扎、環(huán)墻外側(cè)水平筋綁扎、直墻內(nèi)側(cè)水平筋綁扎、直墻立筋綁扎、直墻外側(cè)水平筋綁扎、加筋、拉筋綁扎，鋼筋采用12#鐵絲滿綁加固，鋼筋綁扎完成后進(jìn)行埋件放線、安裝和加固，最后在鋼筋籠上部定位頂板安裝，對(duì)鋼筋籠進(jìn)行加固。

3.6 鋼筋籠吊裝

鋼筋籠吊裝的具體流程如下［4］。

（1）起鉤至模塊下口距離地面15 m，起重機(jī)變幅至作業(yè)半徑66.828 m，調(diào)整主臂與水平面仰角為62°，吊車緩慢起鉤，模塊提升至下口距離地面77 m處停止。

（2）吊車通過(guò)在行走路面上的到位標(biāo)記線進(jìn)行就位控制［5］，吊車向就位方向向西行走49.266 m后向東行走0.146 m，同時(shí)輔車沿“十”字形臺(tái)向北行走2.079 m后向南行走40.239 m。起重機(jī)大臂沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)114°，此時(shí)模塊位于就位點(diǎn)中心上方，吊鉤垂足位置調(diào)整對(duì)準(zhǔn)就位點(diǎn)（偏差控制在±200 mm以內(nèi)）。

（3）吊車以正常速度落鉤，至模塊下口距安裝標(biāo)高500 mm時(shí)停止，牽拉攬風(fēng)繩轉(zhuǎn)動(dòng)模塊角度，使模塊的環(huán)向限位裝置與下部鋼筋籠上環(huán)向限位貼合，然后掛設(shè)好周向調(diào)節(jié)倒鏈。

（4）吊車緩慢落鉤，至下口距安裝標(biāo)高200 mm時(shí)停止，通過(guò)倒鏈微調(diào)模塊，使模塊與環(huán)向限位裝置（在地面墻體每90°一塊限位板）對(duì)中。

（5）模塊下落至下口距安裝標(biāo)高200 mm時(shí)，模塊吊裝階段結(jié)束，轉(zhuǎn)入模塊安裝階段。

3.7 實(shí)施結(jié)果

漳州核電內(nèi)部結(jié)構(gòu)SG2模塊16.50 m以上結(jié)構(gòu)鋼筋籠吊裝最大起重重量約82 t，核電領(lǐng)域此類大型異形構(gòu)件鋼筋籠吊裝施工尚屬業(yè)內(nèi)首次，與福清核電人工操作方法對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 鋼筋籠模塊化與傳統(tǒng)工藝施工結(jié)果對(duì)比表

[ 漳州1號(hào)機(jī)組 華龍首堆 對(duì)比評(píng)價(jià) 施工方法 鋼筋籠預(yù)制、大吊車吊裝 塔吊吊裝、人工綁扎 在鋼筋綁扎階段，將鋼筋工程由“依次”施工轉(zhuǎn)變?yōu)椤捌叫小笔┕?質(zhì)量 工裝限位，提升鋼筋規(guī)范性，避免鋼筋偏位等質(zhì)量問(wèn)題 鋼筋偏位等質(zhì)量問(wèn)題較多 減少了90%鋼筋偏位質(zhì)量問(wèn)題 安全 地面操作平臺(tái)作業(yè) 高空作業(yè) 減少了72%的高空作業(yè) 工期 10 d 36 d 節(jié)約了72%的現(xiàn)場(chǎng)施工

工期 投入 6人×10 d 15人×36 d 同部位節(jié)約480個(gè)工日 ]

4 結(jié)論

“華龍一號(hào)”鋼筋籠模塊化施工技術(shù)打破了原有的施工方法的限制，實(shí)現(xiàn)了鋼筋工程施工由人工向機(jī)械的轉(zhuǎn)變，將核電建造模塊化、機(jī)械化由理想變成了現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，該技術(shù)還能避免建安交叉，減少安全風(fēng)險(xiǎn)，為縮短“華龍一號(hào)”主線工期和提升整體經(jīng)濟(jì)效益提供了強(qiáng)有力的保障。未來(lái)，鋼筋籠模塊化施工與鋼筋自動(dòng)化加工相互配合，也是應(yīng)對(duì)核電領(lǐng)域人口紅利逐漸消退的有效措施，戰(zhàn)略意義重大。

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