“華龍一號(hào)”預(yù)應(yīng)力倒“U”形鋼束整體穿束自行走式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)研究

康汝杰，朱 強(qiáng)

（中國(guó)核電工程有限公司 漳州項(xiàng)目部，福建 漳州 363000）

0 引言

“華龍一號(hào)”預(yù)應(yīng)力倒“U”形孔道單孔穿入55根鋼絞線，倒“U”形鋼束由其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定必須采用整體穿束工藝。以往采用的固定式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)存在設(shè)備使用多、移位難度大、卷揚(yáng)機(jī)亂繩、導(dǎo)向支架加固難、隔離區(qū)大等問題。隨著科技的不斷創(chuàng)新，設(shè)備的不斷改進(jìn)，固定式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)階段預(yù)應(yīng)力高效施工的需求。漳州核電“華龍一號(hào)”1號(hào)機(jī)組將整體牽引卷揚(yáng)機(jī)、自行走系統(tǒng)、防亂繩系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化整合，是具有鋼絞線整體牽引、自動(dòng)規(guī)整鋼絲繩功能的自行走式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)。

1 工程概況

漳州核電“華龍一號(hào)”預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)倒“U”形鋼束有94束，經(jīng)內(nèi)殼筒體、穹頂并錨固于筏基（廊道頂板）上，鋼束理論長(zhǎng)度為167.949～189.833 m，倒“U”形鋼束由其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定必須采用整體穿束工藝，即孔道外編束，孔道內(nèi)整體牽引，以往采用固定式卷揚(yáng)機(jī)完成整體牽引工作。每束鋼束整體牽引入55根鋼絞線，單根公稱直徑為15.7 mm，截面積為150mm2。應(yīng)力布置示意圖如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力布置示意圖

2 傳統(tǒng)固定式卷揚(yáng)機(jī)存在的問題

2.1 需用設(shè)備多

在傳統(tǒng)核電站反應(yīng)堆廠房預(yù)應(yīng)力倒“U”形孔道施工時(shí)，采用固定式卷揚(yáng)機(jī)，整體牽引時(shí)的受力出現(xiàn)水平—豎向—水平方向上的變化，需用設(shè)備有1臺(tái)35 t固定式卷揚(yáng)機(jī)、2臺(tái)導(dǎo)向支架、1個(gè)抗拉70t定滑輪、20個(gè)抗壓10 t定滑輪、1臺(tái)3.5 t叉車。

2.2 設(shè)備移位難度大

當(dāng)35 t固定式卷揚(yáng)機(jī)與70t定滑輪間距小于12m時(shí)，需對(duì)卷揚(yáng)機(jī)移位，由于廊道為內(nèi)徑22.25 m、外徑25.85 m、高3.44 m的圓環(huán)形，并且受燃油叉車尾氣排放要求的限制，僅能使用電動(dòng)叉車完成對(duì)卷揚(yáng)機(jī)的位移，但是卷揚(yáng)機(jī)總重為4.93 t，而電動(dòng)叉車對(duì)結(jié)構(gòu)重量的要求為不超過3.5 t，因此需將鋼絲繩從卷揚(yáng)機(jī)上拆除，造成工期及人工成本的增加。

2.3 卷揚(yáng)機(jī)亂繩

根據(jù)規(guī)范要求[1]，鋼絲繩出繩方向與繩槽側(cè)邊的角度不大于2°時(shí)，鋼絲繩可自然排繩。結(jié)合以往核電工程反應(yīng)堆廠房預(yù)應(yīng)力倒“U”形孔道施工，當(dāng)收繩角度大于2°時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)鋼絲繩單邊聚集、亂繩現(xiàn)象，鋼絲繩相互擠壓又會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩斷絲，嚴(yán)重影響鋼絲繩的使用壽命，平均每個(gè)機(jī)組1.5個(gè)月需要換2根鋼絲繩。

2.4 導(dǎo)向支架加固難

由于整體牽引時(shí)的受力會(huì)出現(xiàn)水平→豎向→水平方向上的變化，因此需在鋼束出口端和進(jìn)口端各設(shè)置一個(gè)導(dǎo)向支架。施工時(shí)，需人工將卷揚(yáng)機(jī)移動(dòng)到孔道位置，人工調(diào)節(jié)螺栓固定程度，整個(gè)過程還需要叉車配合。在施工過程中，鋼絲繩承受最大力約49.5 t，僅靠導(dǎo)向支架豎向支撐的摩擦力不能滿足鋼絲繩摩擦受力要求，還要插入錨座內(nèi)的圓形鋼板進(jìn)行固定，存在錨座損壞的風(fēng)險(xiǎn)，整個(gè)施工過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力、難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

2.5 隔離區(qū)大

固定式卷揚(yáng)機(jī)位置固定，孔道出口端—定滑輪—卷揚(yáng)機(jī)之間存在牽引風(fēng)險(xiǎn)，例如鋼絲繩斷裂、滑輪損壞及危害作業(yè)人員人身安全等風(fēng)險(xiǎn)，因此施工單位在施工時(shí)必須對(duì)35 t卷揚(yáng)機(jī)與出口端導(dǎo)向支架間的區(qū)域進(jìn)行隔離，隔離長(zhǎng)度為20～82 m，隔離區(qū)內(nèi)不能開展任何施工工作，否則影響施工進(jìn)度。

3 自行走式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)研究

3.1 研究思路

為縮小隔離區(qū)，只能縮短卷揚(yáng)機(jī)至孔道出口端導(dǎo)向支架的距離，根據(jù)卷揚(yáng)機(jī)到定滑輪不小于12 m的要求，假設(shè)將穹頂作為滑輪，則卷揚(yáng)機(jī)可直接放于孔道正下方，受力方向改為水平→豎向，受力方向變化減少，并且可以減少導(dǎo)向支架1臺(tái)、抗拉70t定滑輪1個(gè)、抗壓10 t定滑輪20個(gè)，解決了隔離區(qū)域大、受力方向變化多、使用設(shè)備多的問題；但是，會(huì)增加卷揚(yáng)機(jī)移動(dòng)次數(shù)，因此需考慮卷揚(yáng)機(jī)的移動(dòng)效率問題。

研究卷揚(yáng)機(jī)增加行走輪及動(dòng)力系統(tǒng)，開發(fā)一套滾筒隨收繩/放繩移動(dòng)裝置，可解決卷揚(yáng)機(jī)移位困難、鋼絲繩亂繩等問題?；诖?，本文研究和開發(fā)了一套具有可自行移動(dòng)、整體牽引時(shí)隔離區(qū)域小、受力方向變化少、人工投入少等優(yōu)勢(shì)的自行走式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)。

3.2 整體框架及移動(dòng)設(shè)計(jì)

核島反應(yīng)堆廠房廊道內(nèi)寬3.5m，高3.44m（地面裝修層已施工），并且在廊道外墻內(nèi)側(cè)設(shè)有臨時(shí)編束管道及滑動(dòng)滾輪，因此設(shè)備可運(yùn)行空間有限。為滿足施工需求，35t卷揚(yáng)機(jī)整體框架的長(zhǎng)度不宜超過3.5 m，寬度不宜超過1.45 m。在支撐架底部設(shè)置行走輪，能使35t卷揚(yáng)機(jī)按照穿束指令前后移動(dòng)，在支撐架底部及頂部設(shè)置伸縮油缸，可以用于固定卷揚(yáng)機(jī)。牽引過程中卷揚(yáng)機(jī)受豎向力通過頂升油缸傳遞給廊道頂部混凝土結(jié)構(gòu)面，按照極限狀態(tài)35t拉力進(jìn)行受力分析，混凝土面滿足受力要求[2]，并且整體框架的底部橫梁變形最大為3.79mm，也滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

為保證設(shè)備在鋼絞線牽引完切割后能夠順利移動(dòng)，根據(jù)“千斤頂安裝鋼絞線最短1.1 m+監(jiān)測(cè)鋼束傳感器0.342 m，”共1.442 m的要求，考慮人員切割誤差及卷揚(yáng)機(jī)行走方便，增加0.2 m，支撐橫梁距頂板不小于1.64 m，則支撐橫梁距地面不宜大于1.8m。

3.3 鋼絲繩亂繩問題改進(jìn)

受核島反應(yīng)堆廠房廊道內(nèi)空間的影響，需控制卷揚(yáng)機(jī)整體框架尺寸，其卷筒長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，直徑不宜過大。假設(shè)滾筒的長(zhǎng)度為1m，直徑為0.9m，如果采用固定式的滾筒，滾筒中心距錨座高度為2.8 m時(shí)，鋼絲繩最大出繩角度為10.1°，不滿足規(guī)范《建筑卷揚(yáng)機(jī)》（GB/T 1955—2019）[3]中“鋼絲繩出繩方向與繩槽側(cè)邊的最大夾角小于2°可自然排繩”的要求，因此必須使?jié)L筒可移動(dòng)，設(shè)想采用平移伸縮油缸控制滾筒左右移動(dòng)、采用人工控制滾筒移動(dòng)、采用滾筒被動(dòng)移動(dòng)3種方式并對(duì)其進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)，前兩種方式存在滾筒左右移動(dòng)速度與收繩/放繩速度不匹配、人員操作失誤等因素，因此最終選用滾筒被動(dòng)移動(dòng)的方法。

在滾筒與設(shè)備連接處設(shè)置軌道輪，能使?jié)L筒實(shí)現(xiàn)自由的水平左右移動(dòng)，當(dāng)受到側(cè)向力時(shí)滾筒即可隨之移動(dòng)。在設(shè)備頂支撐梁上設(shè)置控制鋼絲繩位置的滾輪，設(shè)備就位固定后，能使?jié)L輪以上的鋼絲繩始終處于錨座中心，滾輪以下的鋼絲繩可以隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲繩與滾輪位置出現(xiàn)偏角，使?jié)L筒受到水平方向的作用力，此作用力使?jié)L筒水平移動(dòng)，鋼絲繩出繩方向夾角始終小于2°，實(shí)現(xiàn)自然排繩的目的。防亂繩對(duì)中裝置如圖2所示。

圖2 防亂繩對(duì)中裝置

3.4 導(dǎo)向支架優(yōu)化

將原滾輪改為直徑為0.9 m的滾筒，框架采用80 mm×4 mm的方鋼管，底部安裝4個(gè)萬向輪，框架底部及頂部安裝伸縮油缸加固，構(gòu)成具有推動(dòng)行走、液壓缸加固等功能的導(dǎo)向支架。導(dǎo)向支架到達(dá)指定位置后，伸出底部液壓缸，使萬向輪離開地面，再伸出頂部液壓缸至廊道頂部混凝土面固定，經(jīng)三維繪圖并按照極限狀態(tài)35 t受力做有限元受力分析后，確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足施工要求。

4 自行走式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 編束工藝

在改進(jìn)35 t卷揚(yáng)機(jī)及導(dǎo)向支架的基礎(chǔ)上，縮短整體牽引鋼絞線編束長(zhǎng)度。以往核電預(yù)應(yīng)力倒“U”形鋼束編束長(zhǎng)度為1.6 m，漳州1號(hào)機(jī)組編束長(zhǎng)度降低到0.45 m，倒“U”形鋼束編束施工中共節(jié)約鋼絞線約（1.6～0.45）m×55（根）×94（束）×1.178 kg/m÷1 000=7 t，損耗率降低0.6%。

4.2 鋼絞線整體牽引

漳州1號(hào)機(jī)組使用的自行走式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)，平均每天可整體牽引3束，較固定式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)增加0.5束/d，節(jié)約工期約7d；并且，卷揚(yáng)機(jī)及孔道出口端之間的區(qū)域可進(jìn)行錨環(huán)安裝和張拉等工作，加快了施工進(jìn)度。所有設(shè)備均具備行走功能，較少使用人力倒運(yùn)，極大地降低人工成本。

在實(shí)際倒“U”形鋼束牽引過程中，未出現(xiàn)鋼絞線斷絲、散絲、磨損嚴(yán)重等問題，施工質(zhì)量顯著提升，牽引一次合格率達(dá)100%。

5 效益分析

固定式卷揚(yáng)機(jī)與自行走式卷揚(yáng)機(jī)使用對(duì)比情況見表1。

表1 固定式卷揚(yáng)機(jī)與自行走式卷揚(yáng)機(jī)使用對(duì)比情況

由表1可知，自行走式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)較固定式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)，單個(gè)機(jī)組可以節(jié)約工期約15 d，人工及材料節(jié)約成本降低約27.9萬元。

6 改進(jìn)方向

6.1 減小自行走式卷揚(yáng)機(jī)規(guī)格

自行走式卷揚(yáng)機(jī)因采用35 t卷揚(yáng)機(jī)是根據(jù)最不利情況下的受力計(jì)算得出，整體框架材料的選均按照35 t牽引力進(jìn)行計(jì)算，導(dǎo)致所有構(gòu)件規(guī)格均偏大，自行走式卷揚(yáng)機(jī)體積大、重量大，影響施工過程的行走效率，經(jīng)常出現(xiàn)與千斤頂、穿束機(jī)等物項(xiàng)沖突的情況，需要不斷在廊道口處調(diào)換位置。

根據(jù)1號(hào)機(jī)組倒“U”形鋼束整體牽引時(shí)鋼絲繩拉力傳感器顯示的數(shù)據(jù)可知，牽引過程中最大拉力集中在10～18 t，最大拉力出現(xiàn)在V17牽引時(shí)（22.4 t）；若按照最大拉力的1.2倍安全系數(shù)考慮（22.4×1.2=26.88 t），選用28 t卷揚(yáng)機(jī)即可滿足整體牽引要求。

6.2 卷揚(yáng)機(jī)一鍵式操作

卷揚(yáng)機(jī)移動(dòng)至孔道下方后，其移動(dòng)可實(shí)現(xiàn)一鍵式操作：卷揚(yáng)機(jī)的4個(gè)底部支腿伸出使行走輪離開地面并自動(dòng)調(diào)平，調(diào)平后頂升油缸自動(dòng)伸出，并控制壓力各支腿壓力在0.5～1t。

鋼絲繩與牽引頭連接完成后，牽引到位可實(shí)現(xiàn)一鍵式操作：卷揚(yáng)機(jī)自動(dòng)牽引，根據(jù)鋼絲繩的拉力自動(dòng)調(diào)整牽引速度，到達(dá)牽引出孔道指定長(zhǎng)度后卷揚(yáng)機(jī)滾輪自動(dòng)停止。

6.3 導(dǎo)向支架增加自行走功能

導(dǎo)向支架因采用4個(gè)萬向輪移動(dòng)，移動(dòng)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)4個(gè)輪子轉(zhuǎn)向不統(tǒng)一、不按計(jì)劃路線行走的情況，必須經(jīng)過多次微調(diào)后才能對(duì)準(zhǔn)孔道位置。因此，在導(dǎo)向支架增加電動(dòng)液壓行走輪，實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn)孔道位置，只需1人即可快速完成移位、加固等操作。

7 結(jié)語

對(duì)以往使用的固定式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向支架、編束等方面的改進(jìn)，形成一套自行走式卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)，達(dá)到提升施工質(zhì)量、減少作業(yè)人員、減小隔離面積、減少設(shè)備（工裝）使用量、增加作業(yè)面、降低鋼絞線損耗、降低鋼絲繩損耗、減少受力方向的目的。整體牽引完成后即可安裝錨環(huán)、夾片，并可進(jìn)行等張拉工作，倒“U”形鋼束各施工階段在最后一根鋼束整體牽引完成后24 h內(nèi)即可完成此鋼束的正式張拉工作，即此階段的正式張拉工作全部完成，極大地縮短倒“U”形鋼束的施工周期。漳州核電“華龍一號(hào)”1號(hào)機(jī)組倒“U”形鋼束施工縮短工期約15 d，節(jié)約人工投入費(fèi)用約27.9萬元。通過自行走式卷揚(yáng)機(jī)的應(yīng)用，為預(yù)應(yīng)力施工提供有力保障，提高“華龍一號(hào)”預(yù)應(yīng)力施工的優(yōu)勢(shì)。