“華龍一號”預應力倒“U”形鋼束整體穿束自行走式卷揚機系統研究

康汝杰，朱 強

（中國核電工程有限公司 漳州項目部，福建 漳州 363000）

0 引言

“華龍一號”預應力倒“U”形孔道單孔穿入55根鋼絞線，倒“U”形鋼束由其結構形式決定必須采用整體穿束工藝。以往采用的固定式卷揚機系統存在設備使用多、移位難度大、卷揚機亂繩、導向支架加固難、隔離區大等問題。隨著科技的不斷創新，設備的不斷改進，固定式卷揚機系統已不能滿足現階段預應力高效施工的需求。漳州核電“華龍一號”1號機組將整體牽引卷揚機、自行走系統、防亂繩系統進行優化整合，是具有鋼絞線整體牽引、自動規整鋼絲繩功能的自行走式卷揚機系統。

1 工程概況

漳州核電“華龍一號”預應力系統倒“U”形鋼束有94束，經內殼筒體、穹頂并錨固于筏基（廊道頂板）上，鋼束理論長度為167.949～189.833 m，倒“U”形鋼束由其結構形式決定必須采用整體穿束工藝，即孔道外編束，孔道內整體牽引，以往采用固定式卷揚機完成整體牽引工作。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。應力布置示意圖如圖1所示。

圖1 預應力布置示意圖

2 傳統固定式卷揚機存在的問題

2.1 需用設備多

在傳統核電站反應堆廠房預應力倒“U”形孔道施工時，采用固定式卷揚機，整體牽引時的受力出現水平—豎向—水平方向上的變化，需用設備有1臺35 t固定式卷揚機、2臺導向支架、1個抗拉70t定滑輪、20個抗壓10 t定滑輪、1臺3.5 t叉車。

2.2 設備移位難度大

當35 t固定式卷揚機與70t定滑輪間距小于12m時，需對卷揚機移位，由于廊道為內徑22.25 m、外徑25.85 m、高3.44 m的圓環形，并且受燃油叉車尾氣排放要求的限制，僅能使用電動叉車完成對卷揚機的位移，但是卷揚機總重為4.93 t，而電動叉車對結構重量的要求為不超過3.5 t，因此需將鋼絲繩從卷揚機上拆除，造成工期及人工成本的增加。

2.3 卷揚機亂繩

根據規范要求[1]，鋼絲繩出繩方向與繩槽側邊的角度不大于2°時，鋼絲繩可自然排繩。結合以往核電工程反應堆廠房預應力倒“U”形孔道施工，當收繩角度大于2°時，經常出現鋼絲繩單邊聚集、亂繩現象，鋼絲繩相互擠壓又會導致鋼絲繩斷絲，嚴重影響鋼絲繩的使用壽命，平均每個機組1.5個月需要換2根鋼絲繩。

2.4 導向支架加固難

由于整體牽引時的受力會出現水平→豎向→水平方向上的變化，因此需在鋼束出口端和進口端各設置一個導向支架。施工時，需人工將卷揚機移動到孔道位置，人工調節螺栓固定程度，整個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，還要插入錨座內的圓形鋼板進行固定，存在錨座損壞的風險，整個施工過程費時費力、難度大、風險高。

2.5 隔離區大

固定式卷揚機位置固定，孔道出口端—定滑輪—卷揚機之間存在牽引風險，例如鋼絲繩斷裂、滑輪損壞及危害作業人員人身安全等風險，因此施工單位在施工時必須對35 t卷揚機與出口端導向支架間的區域進行隔離，隔離長度為20～82 m，隔離區內不能開展任何施工工作，否則影響施工進度。

3 自行走式卷揚機系統研究

3.1 研究思路

為縮小隔離區，只能縮短卷揚機至孔道出口端導向支架的距離，根據卷揚機到定滑輪不小于12 m的要求，假設將穹頂作為滑輪，則卷揚機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，并且可以減少導向支架1臺、抗拉70t定滑輪1個、抗壓10 t定滑輪20個，解決了隔離區域大、受力方向變化多、使用設備多的問題；但是，會增加卷揚機移動次數，因此需考慮卷揚機的移動效率問題。

研究卷揚機增加行走輪及動力系統，開發一套滾筒隨收繩/放繩移動裝置，可解決卷揚機移位困難、鋼絲繩亂繩等問題。基于此，本文研究和開發了一套具有可自行移動、整體牽引時隔離區域小、受力方向變化少、人工投入少等優勢的自行走式卷揚機系統。

3.2 整體框架及移動設計

核島反應堆廠房廊道內寬3.5m，高3.44m（地面裝修層已施工），并且在廊道外墻內側設有臨時編束管道及滑動滾輪，因此設備可運行空間有限。為滿足施工需求，35t卷揚機整體框架的長度不宜超過3.5 m，寬度不宜超過1.45 m。在支撐架底部設置行走輪，能使35t卷揚機按照穿束指令前后移動，在支撐架底部及頂部設置伸縮油缸，可以用于固定卷揚機。牽引過程中卷揚機受豎向力通過頂升油缸傳遞給廊道頂部混凝土結構面，按照極限狀態35t拉力進行受力分析，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，也滿足結構強度要求。

為保證設備在鋼絞線牽引完切割后能夠順利移動，根據“千斤頂安裝鋼絞線最短1.1 m+監測鋼束傳感器0.342 m，”共1.442 m的要求，考慮人員切割誤差及卷揚機行走方便，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

受核島反應堆廠房廊道內空間的影響，需控制卷揚機整體框架尺寸，其卷筒長度不宜過長，直徑不宜過大。假設滾筒的長度為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，鋼絲繩最大出繩角度為10.1°，不滿足規范《建筑卷揚機》（GB/T 1955—2019）[3]中“鋼絲繩出繩方向與繩槽側邊的最大夾角小于2°可自然排繩”的要求，因此必須使滾筒可移動，設想采用平移伸縮油缸控制滾筒左右移動、采用人工控制滾筒移動、采用滾筒被動移動3種方式并對其進行分析比較發現，前兩種方式存在滾筒左右移動速度與收繩/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移動的方法。

在滾筒與設備連接處設置軌道輪，能使滾筒實現自由的水平左右移動，當受到側向力時滾筒即可隨之移動。在設備頂支撐梁上設置控制鋼絲繩位置的滾輪，設備就位固定后，能使滾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動，鋼絲繩與滾輪位置出現偏角，使滾筒受到水平方向的作用力，此作用力使滾筒水平移動，鋼絲繩出繩方向夾角始終小于2°，實現自然排繩的目的。防亂繩對中裝置如圖2所示。

圖2 防亂繩對中裝置

3.4 導向支架優化

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個萬向輪，框架底部及頂部安裝伸縮油缸加固，構成具有推動行走、液壓缸加固等功能的導向支架。導向支架到達指定位置后，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，經三維繪圖并按照極限狀態35 t受力做有限元受力分析后，確定結構強度滿足施工要求。

4 自行走式卷揚機系統應用

4.1 編束工藝

在改進35 t卷揚機及導向支架的基礎上，縮短整體牽引鋼絞線編束長度。以往核電預應力倒“U”形鋼束編束長度為1.6 m，漳州1號機組編束長度降低到0.45 m，倒“U”形鋼束編束施工中共節約鋼絞線約（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號機組使用的自行走式卷揚機系統，平均每天可整體牽引3束，較固定式卷揚機系統增加0.5束/d，節約工期約7d；并且，卷揚機及孔道出口端之間的區域可進行錨環安裝和張拉等工作，加快了施工進度。所有設備均具備行走功能，較少使用人力倒運，極大地降低人工成本。

在實際倒“U”形鋼束牽引過程中，未出現鋼絞線斷絲、散絲、磨損嚴重等問題，施工質量顯著提升，牽引一次合格率達100%。

5 效益分析

固定式卷揚機與自行走式卷揚機使用對比情況見表1。

表1 固定式卷揚機與自行走式卷揚機使用對比情況

由表1可知，自行走式卷揚機系統較固定式卷揚機系統，單個機組可以節約工期約15 d，人工及材料節約成本降低約27.9萬元。

6 改進方向

6.1 減小自行走式卷揚機規格

自行走式卷揚機因采用35 t卷揚機是根據最不利情況下的受力計算得出，整體框架材料的選均按照35 t牽引力進行計算，導致所有構件規格均偏大，自行走式卷揚機體積大、重量大，影響施工過程的行走效率，經常出現與千斤頂、穿束機等物項沖突的情況，需要不斷在廊道口處調換位置。

根據1號機組倒“U”形鋼束整體牽引時鋼絲繩拉力傳感器顯示的數據可知，牽引過程中最大拉力集中在10～18 t，最大拉力出現在V17牽引時（22.4 t）；若按照最大拉力的1.2倍安全系數考慮（22.4×1.2=26.88 t），選用28 t卷揚機即可滿足整體牽引要求。

6.2 卷揚機一鍵式操作

卷揚機移動至孔道下方后，其移動可實現一鍵式操作：卷揚機的4個底部支腿伸出使行走輪離開地面并自動調平，調平后頂升油缸自動伸出，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，牽引到位可實現一鍵式操作：卷揚機自動牽引，根據鋼絲繩的拉力自動調整牽引速度，到達牽引出孔道指定長度后卷揚機滾輪自動停止。

6.3 導向支架增加自行走功能

導向支架因采用4個萬向輪移動，移動時經常出現4個輪子轉向不統一、不按計劃路線行走的情況，必須經過多次微調后才能對準孔道位置。因此，在導向支架增加電動液壓行走輪，實現快速對準孔道位置，只需1人即可快速完成移位、加固等操作。

7 結語

對以往使用的固定式卷揚機系統進行導向支架、編束等方面的改進，形成一套自行走式卷揚機系統，達到提升施工質量、減少作業人員、減小隔離面積、減少設備（工裝）使用量、增加作業面、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、夾片，并可進行等張拉工作，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”1號機組倒“U”形鋼束施工縮短工期約15 d，節約人工投入費用約27.9萬元。通過自行走式卷揚機的應用，為預應力施工提供有力保障，提高“華龍一號”預應力施工的優勢。