安全壳的预应力孔道设计研究

核动力工程2002年5月Nuclear Power Engineering May. 2002安全壳的预应力孔道设计研究蔡江勇蒋沧如（武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉430070）摘要本文对核电站安全壳预应力孔道粘结方式进行了分析，提出了安全壳有粘结预应力孔道施工灌浆工艺的几点改进措施以及可实现监测、调控的预应力孔道的设计设想。

关键词安全壳预应力系统孔道灌油灌浆光纤传感器1 引言目前，国内外核电站反应堆建筑物大都采用预应力安全壳作为放射性防护的最后一道屏障，安全壳的设计准则是在各种工况（包括不同荷载组合）及事故情况下均能保持完整性并执行其安全功能，亦即必须有效地承受设计基准事故工况的压力，保持良好的密闭性，使放射性物质的散逸限制在容许范围以内，确保核电站工作人员及周围公众的安全。

从美国1979年的三哩岛和前苏联1986年的切尔诺贝利两个核电站堆芯融化事故所造成的截然不同的放射性后果可知，安全壳对核电站安全的重要性，而安全壳的预应力系统的高可靠性和良好的耐久性是保证安全壳结构整体防护性功能的关键所在。

因此，对安全壳的预应力孔道在设计和施工工艺方面进行分析并提出改进，以及对其质量保证体系的进一步提高进行的深入研究探讨是非常必要的。

2 孔道粘结方式有粘结预应力系统是在预应力筋张拉完毕后，对筋束孔道灌注水泥浆，使预应力钢束与混凝土粘结，它可以保证在使用过程中预应力筋束与混凝土间适当的应力传递，而且，预应力筋束能得到以水泥为基础的材料提供的良好的防锈蚀保护。

这种采用灌注水泥浆密封的有粘结预应力系统，同时也存在着一些不足之处，主要是技术要求高、施工繁琐和人为因素较多等，这使得质量的严格控制在技术和管理上的难度较大，主要表现在浆体内因泌水、收缩和微气泡而产生的空隙总是难以消除，成为耐久性功能要求的一个质量隐患，特别是孔道长且弯曲变化复杂时，控制不好时危害是较为严重的。

我国目前的无粘结预应力技术大都用于单束单锚的预应力工程，即在浇筑混凝土之前事先将包有塑料涂层的钢绞线铺设在指定位置，待混凝土浇注完成并达到设计强度后，再进行逐根张拉，该技术不大适用于较大型的预应力结构。

因此，国际上技术发达国家如美国、日本、法国，对于多束群锚型预应力结构已开始广泛采用灌油的无粘结预应力系统，其作法为：在混凝土施工期间将预应力孔道预留好，待混凝土工程完成后，将多束(37～55束)钢绞线穿入预留孔，在单端或双端实施张拉。

张拉结束后在孔道内灌注专用润滑油取代水泥浆，这样即可起到密封防腐作用，又可实现预应力钢束的无粘结状态。

该技术已成功地在秦山核电站二期安全壳结构预应力系统中应用，取得了良好的效果。

这种灌注润滑油的无粘结预应力技术具有以下优点：它降低了钢绞线和锚具锈蚀的危害，可延长建筑物的使用寿命；注油的无蔡江勇等：安全壳的预应力孔道设计研究粘结预应力系统改善了预应力钢束的受力状态，能有效降低摩擦损失；它可方便地实现对预应力钢束的力值实施监测，通过拉脱法可定期对预应力损失情况进行检查，必要时还可实施补张拉，更换钢束和锚具。

与灌注润滑油的无粘结预应力系统相比，有粘结预应力系统的孔道相当于“一次成型”，对于要经受长期在使用环境的各种作用(如碳化、冻融、化学介质侵蚀等)的预应力混凝土结构，其功能的逐渐衰退将是一个不可逆的过程。

从长远的观点来看，灌注润滑油的无粘结预应力系统的主要优势将集中在可部分实现上述过程的“可逆”上，当然这一优势的发挥，还必须以高水准的监控调试设备系统作为相应的支撑。

3 孔道灌浆工艺的改进措施我国核电站安全壳工程中最为常见的是有粘结预应力系统，有粘结预应力系统的孔道灌浆质量决定了结构在运行期间预应力钢绞线是否锈蚀或锈蚀的程度，直接影响到结构的耐久性能。

孔道灌浆施工的要点首先是浆体的配合比，要求既要保证浆体材料本身不会对钢束和锚具产生腐蚀作用,又要保证灌浆时浆体的可操作性和灌浆后浆体的密实性。

此外，同样重要的是灌浆的施工工艺，要求充分考虑各种影响因素，并针对不同的形式的孔道采用相应的灌浆工艺、施工措施，以保证灌注密实度达到设计要求。

从我国的工程现状看，虽然可以通过大量的配比实验研究，采取减水、缓凝、膨胀对材料予以改性等措施，并配合以适宜灌浆工艺以及孔道的全比例模拟灌浆试验等方法手段，做到了使灌浆空隙减到非常低的水平，但由于整套措施对相应的施工管理、技术要求较高，工程中仍然不能确保实际施工条件下的灌浆质量满足要求。

因此，还存在有对灌浆工艺进一步改进提高的必要。

实际工程中灌浆后孔道空隙、浮浆一般较为集中在穹顶和水平孔道的拱顶处、垂直孔道上部、二次灌浆区等部位，显示出浆体收缩、泌水和微气泡共同作用影响并逐步积聚的结果。

以岭澳核电站安全壳预应力工程的全比例模拟灌浆试验为例，在其所选的5根具代表性、灌浆难度最大的孔道的151个检查截面中，高度在3～5mm之间的月牙形空隙占10%，0～3mm 之间的占20%，月牙形空隙主要出现在孔道束形的拐点附近，完全水平和竖向束段基本无空隙。

研究表明，在狭长的曲线孔道内具有较强烈水化作用的水泥浆体的泌水效应是很难控制的，而普遍采用的压力灌浆方式又将不便于渗入水泥浆体内的微气泡的排除（甚至还会有利于更多的气泡渗入）。

因此，孔道的设计和施工中应该进一步考虑为水泥浆体内逐渐积聚上冒的泌出水分和微气泡设计出“便捷的通道”。

在此，拟对目前有粘结预应力系统中孔道灌浆的施工工艺设计提出以下三点改进措施。

第一是将安全壳所有孔道均设计成低端口进浆，高端口出浆的形式。

该措施主要是针对水平束孔道，可把水平束孔道设计成沿安全壳柱体螺旋型上升的曲线孔道，这样的孔道形式配合以其他有关措施，有利于浆体内较轻的泌出水分和微气泡在水泥浆缓凝的过程中，向较高的（或逐步升高的）出浆口方向积聚。

第二是改压力灌浆为真空灌浆。

压力灌浆可以保证浆体较为充分地灌满孔道，并力求达到渗透填充孔道内每一空隙的效果，但高压状态下的浆体中势必含有较多的微气泡，在水泥浆的硬化过程中，微气泡会析出积聚形成局部的浮浆甚至孔隙。

另外，由于水泥浆的泌水现象难以消除，在孔道内所析水分不会蒸发，即使是膨胀水泥浆若处于泌出水分无处蒸发的条件下也会形成泌水孔隙。

采用真空灌浆工艺可将孔道内90%的空气抽出，使水泥浆中微气泡的含量降低，同时在凝结过程中水泥浆所保持的负压状态，会更加有利于浆体中泌出水分和微气泡能够更快地向较高的出浆口方向积聚，实现浆体的密实。

对于安全壳由于壳壁开设设备孔洞而造成的复杂孔道，可采用先压力灌浆核动力工程May. 2002保证水泥浆充满孔道（必要时配以二次灌浆）再抽真空的方法，仍可“抽出”浆体内部分微气泡并使浆体在负压环境中凝结硬化，达到较为密实的效果。

第三设置真空积浆筒口。

在水泥浆的出浆口端接上长1米左右的竖直段筒口，在灌浆完毕后设置成真空积浆筒口。

具体做法是：采用真空泵从出浆口端抽吸预应力孔道中的空气，使孔道真空度达到-0.1Mpa，然后在另一端把水泥浆从输浆管灌入孔道，直到灌满为止，使负压保持在-0.1Mpa左右，打开出口端，让孔道内水-浆悬浮液自由地从出口端流出。

再次泵浆，直到出口端流出匀质浆体，此动作可重复1～2次。

将灌浆管口关闭封死，仍使负压保持在-0.1Mpa左右，让浆体内的泌水和微气泡能充分流出，积聚于出浆口外专门设置的专用积浆筒,待水泥浆终凝前，撤除出浆口端的竖直积浆筒，打掉筒内的初凝浆体。

4 可监控、调制的预应力孔道设计目前，尽管通过设计和施工在技术和管理等方面的各项有效措施的实施，有粘结的预应力系统可以实现较高的功能保证，达到较高的质量水平，但锚固粘结就意味着预加应力及其粘结浆体业已成型不可更改，如果灌浆时孔道内存有过多过大的孔隙、浮浆，就会构成质量隐患，直接影响结构的耐久性能。

从另一方面来看，结构的耐久性能是随使用期的延续而不断降低的，但随着社会文明的不断进步，人们对结构物（特别是核电站）的安全性能等方面的期望要求是日益增高的，这一矛盾的不断突现必将导致对结构的维护、加固的更高要求的提出。

预应力孔道质量的有效控制是安全壳预应力系统高可靠性和高耐久性的前提和保障，这一目标的实现将有赖于预应力的实时监测系统的建立和可调整技术的实施。

以目前的发展趋势来看，利用多束群锚型灌油无粘结技术、光纤传感技术以及新型的纤维增强塑料（FRP）预应力筋束材料即可担当此任。

可以设想的具体的做法为：采用FRP筋束取代预应力钢绞线，将涂有树脂保护层的光纤传感器贴于FRP预应力筋束上，在预应力孔道内穿束后张拉锚固FRP筋束，然后向孔道内灌注专用润滑油予以封闭保护，从FRP筋束的张拉阶段开始直至结构的使用阶段通过埋设的光纤传感器对预应力筋束进行监测。

在全监控过程中，可随时对各孔道中的FRP预应力筋束的应力值进行调整，如发现有异常可找出位置分析原因，必要时撤换单个或多个孔道的FRP预应力筋束重新张拉、锚固、封油。

在上述系统中，主要利用了注油的多束群锚型无粘结预应力技术对钢束应力的可调整性及对筋束的可更换性；对光纤传感技术的利用除了考虑它所具有的无源性、化学惰性、绝缘性、极宽的信号带宽、灵敏性高、响应速度快、动态范围大、抗电磁干扰能力强等优点以外，还重点考虑到了光纤传感可同时作为传感元件和传输媒介并实现多点或分布式传感，非常适合于监测的实时化和网络化的特点；FRP力筋材料的采用主要是考虑到该材料的基层与光纤传感器的树脂保护层属同类或同种材料，极有利于检测值测定的直接、精确。

监测与评估建筑结构物的承载能力、剩余使用寿命、健全度，是当今世界土木工程领域研究的重点之一，实时地对安全壳预应力系统的工作性能进行检测，不仅可大大减少结构物养护维修费用，而且有助于避免重大事故的发生，减少生命财产的损失。

可监控、调制型的的预应力孔道的设计，将极大地提高安全壳结构的可靠性，是向着更加安全的核电站安全系统的建立迈出了一大步。

参考文献1 林松涛，郑砚国. 预应力钢束孔道灌油技术的应用. 工业建筑，2000年，30（12）: 76.2 邵锦瑛，魏翠玲. 安全壳预应力系统设计施工中应注意的问题. 核动力工程，1997年，18（4）: 293.蔡江勇等：安全壳的预应力孔道设计研究3 龚振斌，岭澳核电站安全壳预应力工程简介. 结构工程师（增刊），2002年.4 武湛君等，光纤传感器在民用建筑结构中的应用.哈尔滨工业大学学报，2001年，33（4）:469.Study on P.C. Tendons Pass in ContainmentCai Jiangyong Jiang CangruAbstract: Bonding styles used in P.C. tendons in containment structure of nuclear power plants are discussed in this paper. Some improving measures about grouting technology ofbonded P.C. tendons pass are put forward, and a new design method about P.C.tendons pass that could be supervised, adjusted and controlled is presented, as well.Key words: containment pre-stressed system pass filling grease filling cement pastefiber optical sensor[作者简介]蔡江勇，男，1966年生，副教授，国家一级注册结构师。