馬 英，蔡利建，王洪斗，徐國(guó)禎，李 杰，張 莉

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

“華龍一號(hào)”設(shè)計(jì)中考慮了商用大飛機(jī)撞擊的工況，以抵御大型商用飛機(jī)的惡意撞擊，從而避免該類(lèi)事故工況下放射性的大量釋放、保護(hù)人員和環(huán)境免受核輻射的危害。根據(jù)防護(hù)原則，“華龍一號(hào)”反應(yīng)堆廠房采用雙層安全殼技術(shù)，燃料廠房、電氣廠房則采用單獨(dú)設(shè)置的鋼筋混凝土防護(hù)廠房進(jìn)行防護(hù)。

在提高安全性的同時(shí)，防護(hù)廠房的設(shè)計(jì)和施工也具有相當(dāng)大的難度和挑戰(zhàn)。一方面，防護(hù)廠房屋面具有跨度大、施工荷載大、內(nèi)部廠房屋面承載力不高、施工環(huán)境受限等特征，是典型的大跨、懸空厚板結(jié)構(gòu)；另一方面，防護(hù)廠房與內(nèi)部廠房的土建、安裝等工程存在交叉作業(yè)，對(duì)進(jìn)度影響十分明顯。

臺(tái)山核電施工中采用預(yù)制混凝土梁的方案，其解決了施工荷載大、交叉作業(yè)的難題，但也帶來(lái)了新的問(wèn)題，如預(yù)制場(chǎng)地、吊裝能力與風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)制梁鋼筋與現(xiàn)澆部分鋼筋的連接、預(yù)制梁與外層安全殼筒體連接節(jié)點(diǎn)處理等難題。

民用領(lǐng)域[1,2]，中庭、門(mén)廳等懸空結(jié)構(gòu)施工中一般采用型鋼、桁架搭設(shè)臨時(shí)鋼平臺(tái)；厚板結(jié)構(gòu)一般采用分層卸荷、勁性混凝土等方案施工；但結(jié)構(gòu)及受力形式、工作環(huán)境等與防護(hù)廠房均有較大不同，不能直接應(yīng)用在本項(xiàng)目中。

本文根據(jù)其結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)提出多種施工方案，并從施工安全性、技術(shù)難點(diǎn)、工期及費(fèi)用等方面進(jìn)行方案比選，確定采用分層分段的施工方案；在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了防護(hù)廠房屋面分層施工方案的設(shè)計(jì)思路與要點(diǎn)、分層分段的劃分、施工荷載驗(yàn)算以及相關(guān)技術(shù)要求等內(nèi)容。

1 廠房結(jié)構(gòu)概況

“華龍一號(hào)”采用外層安全殼及防護(hù)廠房對(duì)反應(yīng)堆廠房、燃料廠房及電氣廠房進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)廠房分為KB防護(hù)廠房（燃料廠房一側(cè)）、LB防護(hù)廠房（電氣廠房一側(cè)），兩者通過(guò)外層安全殼連為一體；防護(hù)廠房屋面板厚 1.8 m，KB廠房屋面跨度約25 m × 63 m，LB廠房屋面跨度約32 m × 80 m；其結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。

考慮到燃料廠房?jī)?nèi)部屋面承載能力更低、施工條件更不利，因此本文以燃料廠房一側(cè)的防護(hù)廠房（KB防護(hù)廠房）作為研究對(duì)象。

KB防護(hù)廠房與燃料廠房的關(guān)系如圖 2所示；燃料廠房屋面厚 400 mm、跨度達(dá) 17 m，燃料廠房水池區(qū)操作大廳標(biāo)高為 16.5 m、乏池底板標(biāo)高 3.69 m。防護(hù)廠房屋面施工荷載大，僅混凝土自重就達(dá) 45 kN/m2，水池區(qū)屋面無(wú)法承受如此巨大的施工荷載；當(dāng)采用分層卸載、由下部樓板承受施工荷載的方案時(shí)，水池區(qū)需從 16.5 m起搭設(shè)腳手架（乏燃料水池需從3.6 m、裝卸口從 0 m起），不僅要耗費(fèi)大量的材料、人工及工期，且其屬于超過(guò)一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大工程、存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，防護(hù)廠房屋面施工還與乏燃料水池、裝載井、清洗井的鋼覆面安裝工程存在交叉工作、嚴(yán)重影響工期。這都大大增加了防護(hù)廠房屋面的施工難度及風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 KB防護(hù)廠房與燃料廠房的關(guān)系圖Fig.2 Location between the KB-shield building and fuel building

2 施工方案比選

KB廠房屋面板厚 1.8 m、跨度達(dá) 25 m ×63 m，是典型的大跨、懸空、厚板結(jié)構(gòu)，施工荷載設(shè)計(jì)值更是高達(dá) 71.5 kN/m2。針對(duì)大跨懸空厚板的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，通過(guò)資料搜集、文獻(xiàn)調(diào)研及咨詢討論，從類(lèi)似工程中尋找可行、可參考的施工方案。

核電領(lǐng)域，EPR堆型的防護(hù)廠房屋面施工中采用了預(yù)制混凝土梁的施工方案；民用領(lǐng)域的中庭、門(mén)廳等懸空結(jié)構(gòu)的施工一般采用型鋼、桁架搭設(shè)臨時(shí)鋼平臺(tái)；厚板轉(zhuǎn)換層[1,2]一般采用分層卸荷、勁性混凝土等施工方案；但結(jié)構(gòu)及受力形式、工作環(huán)境等與防護(hù)廠房均有較大不同，上述方案不能直接應(yīng)用在本項(xiàng)目中。

參考上述調(diào)研結(jié)果，根據(jù) KB防護(hù)廠房屋面結(jié)構(gòu)形式及其受力特點(diǎn)，提出了滿堂腳手架、預(yù)制混凝土梁、鋼梁-壓型鋼板、分層澆注等備選方案；并從施工難度、安全性、對(duì)其他廠房及對(duì)工程進(jìn)度的影響等各方面進(jìn)行方案比選。

2.1 滿堂腳手架方案

滿堂腳手架方案是土建施工中最常用的施工方案，其施工方便、成本低。但由于燃料廠房屋面不足以承受 KB防護(hù)廠房屋面的施工荷載，需采用分層卸荷的方法，由 3.6 m/16.5 m樓板與屋面共同承受施工荷載。

該方案腳手架搭設(shè)高度大、施工荷大，屬于超過(guò)一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的工程、安全風(fēng)險(xiǎn)較大；同時(shí)，腳手架搭設(shè)與拆除工作量巨大，需耗費(fèi)大量的材料、人工及工期；并且，腳手架工程與燃料廠房水池區(qū)鋼覆面等安裝工程存在交叉作業(yè)、相互影響，對(duì)工期影響十分明顯。

2.2 預(yù)制混凝土梁方案

預(yù)制混凝土梁施工方案是預(yù)制倒T形混凝土梁，將其翼緣板作為一部分模板、預(yù)制梁作為受力構(gòu)件承受施工荷載，臺(tái)山核電（EPR堆型）防護(hù)廠房施工中采用了該方案。

該方案可以解決防護(hù)廠房屋面施工荷載大、腳手架工程量大、與安裝工程交叉作業(yè)的難題；但也帶來(lái)了新的問(wèn)題，如預(yù)制場(chǎng)地、吊裝能力與風(fēng)險(xiǎn)、施工費(fèi)用高，特別是預(yù)制梁與現(xiàn)澆混凝土部分鋼筋的連接、預(yù)制梁與外層安全殼筒體節(jié)點(diǎn)連接等處理十分困難，施工難度仍然較大。

2.3 鋼梁方案

該方案考慮采用鋼梁、壓型鋼板替代模板及支撐體系，即采用鋼—混凝土組合屋面。

該方案同樣可以解決防護(hù)廠房屋面施工荷載大、腳手架工程量大等問(wèn)題；但鋼梁的拆除與否是本方案的制約因素：若采用永久鋼梁，則飛機(jī)撞擊工況下鋼梁是否脫落、脫落后對(duì)內(nèi)部廠房的影響分析等存在一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)采用臨時(shí)鋼梁時(shí)，鋼梁的拆除將是一項(xiàng)耗費(fèi)工時(shí)、施工風(fēng)險(xiǎn)大的工作。

2.4 分層澆注方案

防護(hù)廠房屋面施工中最根本的難題是施工荷載過(guò)大，最直接、有效的方法是降低施工荷載，而減少混凝土一次澆筑厚度又是最有效的措施；因此，考慮將屋面板分2～3層澆筑、由先澆筑的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度承受第二層、第三層混凝土施工的荷載，即分層澆注，如圖 3所示。

圖3 分層澆注方案示意Fig.3 Illustration of layered pouring scheme

分層澆筑方案可以解決防護(hù)廠房屋面施工荷載大的問(wèn)題、提高施工安全性，同時(shí)不增加腳手架工程量、避免與安裝工程交叉作業(yè)；并且，除施工縫處理外沒(méi)有其他特殊施工要求，不會(huì)帶來(lái)其他技術(shù)問(wèn)題、不大幅增加施工費(fèi)用。

2.5 方案比選

針對(duì)提出的備選方案，從施工安全性、技術(shù)難點(diǎn)、施工工期及費(fèi)用等角度進(jìn)行綜合比選，如表1所示。

表1 施工方案比選Table 1 Comparison and selection of construction scheme

分層澆筑方案具有施工安全性高、施工難度低、對(duì)工期影響不大且未明顯增加施工費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，是最為適宜的一個(gè)施工方案。因此，在與項(xiàng)目各參與方討論后，決定 KB防護(hù)廠房屋面施工采用分層澆注方案。

3 施工方案設(shè)計(jì)

3.1 原則與要點(diǎn)

防護(hù)廠房屋面分層澆筑施工的基本思路是將厚板水平劃分為 2～3層“薄板”，由先施工的“薄板”與燃料廠房屋面共同承受后續(xù)混凝土的施工荷載，以此達(dá)到降低對(duì)腳手架支撐、下部樓板支撐承載力的要求。

本方案的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

（1） 混凝土分層厚度的確定。分層厚度根據(jù)燃料廠房屋面的承載能力、KB防護(hù)廠房屋面原有鋼筋分布情況等確定；初步分三層澆筑，分別為400 mm、600 mm和800 mm（見(jiàn)圖3），第一、二層混凝土的施工荷載由燃料廠房屋面承受，待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后與燃料廠房屋面共同承受第三層（800 mm厚）混凝土的施工荷載。

（2） 先澆“薄板”的承載力設(shè)計(jì)。保證其有足夠的承載能力，以承受后續(xù)各層混凝土的施工荷載，并采取一定措施保證其承受施工荷載，這是本方案的關(guān)鍵點(diǎn)。

（3） 燃料廠房屋面承載能力驗(yàn)算。

（4） 模板及腳手架支撐設(shè)計(jì)。

3.2 燃料廠房屋面承載能力驗(yàn)算

燃料廠房屋面為鋼梁—壓型鋼板組合屋面，由于其混凝土厚度較薄、承載能力有限，方案設(shè)計(jì)中要求腳手架支撐在屋面鋼梁位置、將荷載直接傳遞至鋼梁，避免樓板受力。

因此，燃料廠房屋面承載能力驗(yàn)算主要是根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]進(jìn)行施工荷載作用下屋面鋼梁的承載能力、穩(wěn)定性及剛度等驗(yàn)算。

根據(jù)分層澆注方案的設(shè)計(jì)原則，燃料廠房屋面需承受第一、二層（400 mm和600 mm）混凝土施工中的荷載，主要包括混凝土自重、傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載、腳手架及模板體系的自重、施工活荷載等。

經(jīng)驗(yàn)算，在上述施工荷載作用下，屋面鋼梁的承載能力、穩(wěn)定性及剛度均滿足要求。

3.3 分層澆注配筋設(shè)計(jì)

根據(jù)分層澆注方案的設(shè)計(jì)原則，第三層（800 mm）混凝土澆注時(shí)的施工荷載由第一、二層混凝土和燃料廠房屋面共同承擔(dān)。因此，防護(hù)廠房屋面配筋設(shè)計(jì)時(shí)需考慮：（1）運(yùn)行階段的配筋，包括地震、飛機(jī)撞擊等工況；（2）施工階段的配筋，特別是第一、二層混凝土頂面縱向受力鋼筋。

運(yùn)行階段的配筋設(shè)計(jì)，根據(jù)文獻(xiàn)［4，5］的規(guī)定進(jìn)行荷載及荷載效應(yīng)組合、內(nèi)力分析、配筋計(jì)算及設(shè)計(jì)等；設(shè)計(jì)中屋面板厚度按1.8 m考慮、無(wú)需考慮分層方案；設(shè)計(jì)中考慮的荷載包括：恒荷載、活荷載、設(shè)備及埋件荷載、溫度作用、地震作用、飛機(jī)撞擊作用等，配筋計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 計(jì)算配筋量與實(shí)際配筋量Table 2 The calculated and actual amount of reinforcement

施工階段的配筋設(shè)計(jì)，主要是對(duì)第一、二層（400 mm和600 mm）混凝土進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)；計(jì)算模型與運(yùn)行階段相同，僅將屋面板厚度改為1 000 mm；設(shè)計(jì)中考慮的荷載包括：第一、二層混凝土的自重、新澆筑層混凝土的自重、傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載、施工活荷載等，偏于保守的按文獻(xiàn)［4］的規(guī)定進(jìn)行荷載組合［見(jiàn)公式（1）］。施工階段中間層（1.0 m 高度）的計(jì)算配筋量如圖4所示。

需要指出的是，計(jì)算中假定新澆層混凝土的施工荷載全部由第一、二層混凝土承擔(dān)、未考慮燃料廠房屋面的分擔(dān)，這是偏于保守的。

KB防護(hù)廠房屋面實(shí)際配筋中綜合考慮了上述兩種情況：根據(jù)運(yùn)行階段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行板底和板頂?shù)呐浣?，根?jù)施工階段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行板中間層的配筋、并對(duì)板底配筋進(jìn)行核算和修正。各階段的計(jì)算配筋量、實(shí)際配筋量如表2所示，配筋示意圖如圖5所示。

3.4 施工中的技術(shù)要求

分層澆注方案的關(guān)鍵是使先澆筑的“薄板”承受后續(xù)混凝土施工的荷載[1]；為達(dá)到上述目的，結(jié)合方案設(shè)計(jì)的原則，提出了如下技術(shù)要求。

圖4 施工階段計(jì)算配筋量（中間層）Fig.4 Calculated reinforcement during the construction stage（the middle layer）

圖5 KB防護(hù)廠房屋面配筋示意圖Fig.5 Schematic of the reinforcement in the KB shield building roof

（1） 腳手架及模板支撐體系需承受第一、二層（400 mm和600 mm）混凝土澆注時(shí)的施工荷載；并需采取措施將荷載直接傳遞至屋面鋼梁上。

（2） 第一、二層混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行第三層混凝土施工。

（3） 第三層混凝土施工前，需對(duì)下部腳手架進(jìn)行卸荷、然后再全部頂緊，即“先放松、后頂緊”，以保證第一、二層混凝土板可以與模板支撐體系共同承受施工荷載[1]。

（4） 為了保證各層混凝土的協(xié)同工作、屋面板的整體性能，需嚴(yán)格進(jìn)行施工縫的處理；同時(shí)，第一層凝土澆筑時(shí)，應(yīng)在其表面適當(dāng)增加抗裂鋼筋，以防止表面開(kāi)裂[2,6]。

4 結(jié)論

針對(duì)“華龍一號(hào)”防護(hù)廠房屋面這種大跨、懸空厚板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了分層澆注的施工方案，并進(jìn)行了詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)與計(jì)算，解決了其施工中存在的跨度大、施工荷載大、施工環(huán)境受限等技術(shù)難題。

福清核電5、6號(hào)機(jī)組、巴基斯坦K-2/K-3項(xiàng)目防護(hù)廠房屋面已采用本方案順利施工完畢；有效降低了施工難度、提高了施工安全性、節(jié)省了施工工期和費(fèi)用。需要指出的是，為了進(jìn)一步提高施工效率，福清核電 6號(hào)機(jī)組施工中將混凝土澆注分層由三層改為兩層，即第一層澆注1 000 mm厚混凝土、在其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后承受第二層800 mm厚混凝土的施工荷載。

分層澆注施工方案可有效解決類(lèi)似的大跨、懸空、厚板結(jié)構(gòu)施工中存在的技術(shù)難題，可為核電、核化工及其他行業(yè)的大跨度懸空厚板結(jié)構(gòu)的施工提供參考和借鑒。