一种单侧钢板混凝土空心组合屋盖的制作方法

本发明属于核电厂大跨度、大空间屋盖及楼盖体系领域，特别涉及一种单侧钢板混凝土空心组合屋盖的结构设计。

背景技术：

高温气冷堆(简称HTR-PM)是具有我国拥有自主知识产权、具有第四代核能系统安全特征的先进核电堆型，具有固有安全特性，应用领域广泛，商业化前景广阔。高温气冷堆核电站示范工程是国家重大专项之一，对促进我国进入第四代核电技术前沿、推动核电制造企业加大科研攻关力度、吸引凝聚核电人才具有重要意义。

高温气冷堆核电站示范工程由两座反应堆和相应的两个蒸发器组成，所述反应堆和蒸发器分别放置在反应堆舱室和蒸发器舱室内。反应堆舱室和蒸发器舱室布置在同一个反应堆厂房内。反应堆厂房结构形式一般为钢筋混凝土剪力墙结构，在反应堆厂房顶层，通常设置大跨度、大空间的检修大厅，同时内设桥式吊车，方便对大型设备的吊装及使用后的检修工作。

在核电站建造过程中，大型设备(如反应堆压力容器、蒸汽发生器)安装通常存在两大类问题：一是交货时间较晚；二是设备吊装完成后，在安装大型设备内部构件时，需要在检修大厅建立满足核级要求的清洁区。反应堆厂房的屋盖若采用传统的屋盖形式，如普通钢筋混凝土屋盖，主要存在以下几方面问题：

1、建造时屋盖时必须在检修大厅中设置满堂脚手架，然后经过支模、绑扎钢筋、浇筑混凝土、养护混凝土、混凝土达到强度后拆模拆脚手架，才能为检修大厅腾出空间建立清洁区。施工现场作业量大，土建与设备安装交叉作业复杂，且现场多为高空作业，施工周期长；

2.按传统形式建造的屋盖处于整个项目工期的关键路径上，是制约土建总施工周期的瓶颈；

3.考虑到大型设备在役期内有更换的可能，需要考虑屋盖临时开洞问题，普通钢筋混凝土屋盖通常按整体受力设计，若临时开洞则会影响整个屋盖的受力及安全，对洞口周围屋盖结构的加固处理难度大，且费用高。

除最常见的钢筋混凝土屋盖形式外，现有的普通钢骨混凝土屋盖同样存在支模、拆模等导致土建与设备安装交叉作业的问题；现有的双钢板混凝土组合屋盖，其外侧钢板长期暴露在如滨海等易腐钢板的室外环境中，耐久性难以保证；现有的钢结构屋盖则无法满足强震作用下的变形要求及核辐射屏蔽要求，且抵抗飞射物荷载的能力较差，耐久性同样难以保证。

技术实现要素：

本发明为克服已有技术的不足之处，提出了一种单侧钢板混凝土空心组合屋盖，该屋盖可满足HTR-PM反应堆厂房工程进度及功能要求，具有可临时开设供大型设备吊装的洞口而不影响屋盖整体受力的特点，同时解决了土建与大型设备安装交叉作业复杂的问题。

本发明提出的一种单侧钢板混凝土空心组合屋盖，其特征在于，该屋盖的外边缘与支撑该屋盖的建筑物侧墙连接，该屋盖为由若干榀互相平行的工字型钢骨混凝土组合梁依次拼接形成中部带有多个空心的扁长方体箱型结构，所述工字型钢骨混凝土组合梁均满足单向独立受力要求。

所述各榀工字型钢骨混凝土组合梁的结构相同，均包括上下非对称的工字型钢骨架、钢筋及工字型混凝土，所述工字型钢骨架由钢骨上翼缘、钢骨腹板及钢骨下翼缘连接而成，钢骨下翼缘上均匀设有栓钉；其中，所述钢筋均匀布置在钢骨上翼缘上下两侧、钢骨下翼缘上侧以及钢骨腹板两侧；在两个相邻工字型钢骨架内的钢骨腹板之间还设有箱型永久模板，工字型混凝土浇筑于由箱型永久模板及钢骨下翼缘围合而成的空间内，最终形成工字型钢筋混凝土半包裹工字型钢骨架的组合梁结构。

本发明的特点及有益效果：

1、单侧钢板混凝土空心组合屋盖内的工字型钢骨混凝土组合梁均为独立受力单元，并采用免模板设计，钢骨下翼缘承担拉应力的同时兼做浇筑混凝土时的模板，不需要按照传统屋盖形式建造时所需的支模、拆模及搭设满堂脚手架等工序，仅需建造时在各模块的内部设置箱型永久模板，绑扎钢筋及浇筑混凝土后即可完成单侧钢板混凝土空心组合屋盖；这既解决了土建与安装交叉作业的问题，同时也加快了施工进度，满足了项目的工期要求。

2、由于单侧钢板混凝土空心组合屋盖的每榀工字型钢骨混凝土组合梁都采用各自独立的单向受力模式，因此可以满足施工时临时开洞及后期开洞加固等需求，此外本发明可以实现模块化的施工方法，加快施工进度，提高施工质量，降低施工费用。

3、相比传统的矩形混凝土梁设计，工字型钢骨混凝土组合梁的设计受力更为科学合理，可靠度高，材料用量合理度高且可减轻结构自重。同时单侧钢板混凝土空心组合设计可增大屋盖刚度、有利于抵抗飞射物荷载；工字型钢筋混凝土半包裹工字型钢骨架的设计也可以更好的保证结构的耐久性。

4、工字型钢骨混凝土组合梁两端与厂房长向侧墙通过钢牛腿及钢埋件连接。在满足本设计假定的施工过程中，工字型钢骨混凝土组合梁两端首先简支在下部钢牛腿上，其自重由钢牛腿承担，内力由钢牛腿传给厂房长向侧墙；在梁标高范围内的厂房墙体混凝土凝结硬化后，工字型钢骨混凝土组合梁与厂房墙体通过钢埋件连成一个整体，实现了工字型钢骨混凝土组合梁两端与墙体之间的刚性连接，因此正常使用状态下钢骨混凝土组合梁的自重以及其上部荷载产生的内力及变形、地震作用产生的内力均通过钢埋件传给厂房墙体。这种由简支转变为刚性连接的节点连接方式(简称为半刚性连接)大幅降低了工字型钢骨混凝土组合梁和厂房长向侧墙的节点连接要求，从而显著降低了施工难度。

附图说明

图1为本发明整体平面布置图。

图2为本发明主剖面(A-A)图。

图3为本发明工字型钢骨架截面示意图。

图4为本发明相邻两个工字型钢骨架之间的连接示意图。

图5为本发明实施例水平支撑的截面示意图。

图6为本发明实施例中间段水平支撑与工字型钢骨架的连接示意图。

图7为本发明水平支撑与厂房短向侧墙的连接示意图。

图8(a)为本发明实施例工字型钢骨混凝土组合梁与厂房长向侧墙的连接示意图；图8(b)为本发明实施例工字型钢骨混凝土组合梁与厂房短向侧墙的连接示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种单侧钢板混凝土空心组合屋盖结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的一种单侧钢板混凝土空心组合屋盖支撑于厂房侧墙顶部，其整体平面布置如图1所示，单侧钢板混凝土空心组合屋盖为由若干榀结构相同且平行设置的工字型钢骨混凝土组合梁1依次拼接形成中部带有多个空心的扁长方体箱型结构，所述工字型钢骨混凝土组合梁1的轴向均垂直于厂房长向侧墙0-1，工字型钢骨混凝土组合梁1按单向独立受力要求设计，为屋盖临时开设洞口提供保障。

所述工字型钢骨混凝土组合梁1的横截面如图2所示，均包括上下非对称的工字型钢骨架11、钢筋12及工字型混凝土13，工字型钢骨架11(如图3所示)由钢骨上翼缘11-1、钢骨腹板11-2及钢骨下翼缘11-3焊接而成，钢骨下翼缘11-3上均匀设有栓钉11-4；其中，钢筋12均匀布置在钢骨上翼缘11-1上下两侧、钢骨下翼缘11-3上侧以及钢骨腹板11-2两侧；在两个相邻工字型钢骨架11内的钢骨腹板11-2之间还设有与工字型钢骨架11等长的箱型永久模板14，工字型混凝土13浇筑于由箱型永久模板14及钢骨下翼缘11-3围合而成的空间内，最终形成工字型钢筋混凝土半包裹工字型钢骨架11的组合梁结构。本实施例的钢骨上翼缘11-1、钢骨腹板11-2、钢骨下翼缘11-3均采用热轧钢板，钢骨上翼缘11-1的宽度小于钢骨下翼缘11-3，由于钢骨上翼缘11-1抗拉能力较低，工字型钢骨混凝土组合梁1中的负弯矩主要由钢骨上翼缘11-1上下侧的钢筋12承担，因此在钢骨上翼缘11-1上下侧各配置一排钢筋12；栓钉11-4与钢骨下翼缘11-3采用焊接连接，栓钉11-4使得工字型钢骨架11与工字型钢筋混凝土紧密结合、共同抵抗荷载作用；钢骨下翼缘11-3处于工字型钢骨混凝土组合梁1最下侧，由于其自身刚度大、承载力高的特性，承担拉力的同时可兼作工字型混凝土13浇筑时的底部模板，由于箱型永久模板14为采用常规的模板材料的免拆模板，故各榀工字型钢骨混凝土组合梁1底部无需再支设模板及脚手架，从而解决了土建与大型设备安装交叉作业复杂的问题。

相邻两榀工字型钢骨混凝土组合梁1内的工字型钢骨架11之间通过焊接连接，或者通过节点板2和高强螺栓3进行连接，如图4所示，其中节点板2分别位于相邻两榀工字型钢骨架11内钢骨下翼缘11-3的上下两侧，高强螺栓3依次穿过节点板2和钢骨下翼缘11-3。此外，根据屋盖具体的开洞情况、钢结构工厂加工运输能力以及施工现场吊装能力等不同需求将若干榀工字型钢骨架11的钢骨下翼缘采用一整块钢板制成。

为保证工字型钢骨架11施工阶段的平面外稳定，在垂直于工字型钢骨架11轴向均匀设置多道水平支撑7，该水平支撑7通过耳板与钢骨架上翼缘钢板连接，水平支撑7的端部与厂房短向侧墙0连接，水平支撑7的中间段分别与相邻的工字型钢骨架11连接。本实施例各道水平支撑7的结构相同，其横截面如图5所示，均由两根等边角钢14-1及填板14-2组成，两根等边角钢14-1以背靠背的形式分别焊接在填板14-2的两侧；位于中间段的水平支撑7通过耳板8和高强螺栓3与工字型钢骨架11进行连接，如图6所示，其中耳板8竖直焊接于钢骨上翼缘11-1和钢骨腹板11-2上，水平支撑7通过高强螺栓3与耳板8连接；位于端部的水平支撑7通过节点板2、高强螺栓3及钢埋件5与检修大厅短向侧墙0固定连接，如图7所示，其中，节点板2与埋置在厂房短向侧墙0的钢埋件5焊接连接，水平支撑7通过高强螺栓3与耳板8连接。

所述单侧钢板混凝土空心组合屋盖的竖向支撑为厂房长向侧墙0-1，其与厂房长向侧墙0-1连接的具体实现方式说明如下：

本实施例各榀工字型钢骨混凝土组合梁1两端与厂房长向侧墙0-1通过钢牛腿4及钢埋件6连接，如图8(a)所示，钢牛腿4焊接在钢埋件5上，沿厂房长向侧墙0-1均匀设置，施工阶段工字型钢骨混凝土组合梁1的自重由钢牛腿承担。所述钢牛腿4包括水平布置的钢牛腿上翼缘41、与该上翼缘垂直且等间距设置的钢牛腿腹板42；所述钢埋件5由锚板51和锚筋52组成，锚板51与厂房长向侧墙0-1表面齐平，锚筋52水平伸入厂房长向侧墙0-1内部，锚板51与锚筋52焊接；钢埋件6由锚板61和锚筋62组成，锚板61与厂房长向侧墙0-1表面齐平，锚筋62水平伸入厂房长向侧墙0-1内部，锚板61与锚筋62焊接。在工字型钢骨架11底部，钢骨下翼缘11-3通过高强螺栓3与钢牛腿上翼缘41连接；钢牛腿腹板42根据钢骨腹板11-2的位置来定位，使工字型钢骨架11与厂房长向侧墙0-1之间力的传递更明确直接。工字型钢骨架11两端与钢埋件6焊接，正常使用状态下钢骨混凝土组合梁的自重以及其上部荷载产生的内力及变形、地震作用产生的内力主要由钢埋件6承担；同时钢埋件6对工字型钢骨混凝土组合梁1提供的端封板效应可增大工字型钢骨混凝土组合梁1的整体刚度，从而有效控制工字型钢骨混凝土组合梁1的变形。

工字型钢骨混凝土组合梁1与厂房短向侧墙0通过钢牛腿4连接(如图8(b)所示)，其中，钢牛腿上翼缘41与钢牛腿腹板42之间采用焊接连接；钢牛腿4焊接在钢埋件5上，沿厂房短向侧墙0均匀设置；钢牛腿上翼缘41与钢骨下翼缘11-3用高强螺栓3连接。

所述工字型钢骨混凝土组合梁1的尺寸与榀数，节点板2、高强螺栓3、钢牛腿4及钢埋件5的规格根据屋盖实际的受力情况进行设计确定：一般来说，工字型钢骨混凝土组合梁1梁高取值为单侧钢板混凝土空心组合屋盖跨度的1/12～1/16、梁宽取值为梁高的1/1.5～1/2.5、梁的跨度根据屋盖跨度确定(一般不超过50m)，工字型钢骨架11中钢骨下翼缘11-3钢板厚度不宜小于20mm，以满足兼做模板的强度要求；在核工程中，工字型混凝土的顶、底板总厚度不应小于600mm，以满足辐射屏蔽和抵抗龙卷风飞射物的要求。

本发明的单侧钢板混凝土空心组合屋盖采用单方向受力的设计方法，单侧钢板混凝土空心组合屋盖短向为主要受力方向；施工阶段分析模型采用单跨简支梁模型，仅考虑单方向受力，整体计算考虑横向传力；使用阶段分析模型分别考虑单跨简支梁模型和空间整体模型，并将两种分析模型取包络设计，单跨简支梁模型由于长度很长，短向侧墙相对中间榀简支梁的整体变形协调能力较弱，故不考虑厂房空间整体作用，空间整体模型考虑单侧钢板混凝土空心组合屋盖混凝土板在各方向上的空间作用。不同于传统屋盖仅靠短向侧墙保证侧向稳定性，单侧钢板混凝土空心组合屋盖的长向侧墙也提供平面外刚度以保证侧向稳定。由于单侧钢板混凝土空心组合屋盖的每榀工字型钢骨混凝土组合梁都采用各自独立的单向受力模式，因此可以满足施工时临时开洞及后期开洞加固等需求。

本发明所述一种单侧钢板混凝土空心组合屋盖，其施工步骤为：

根据反应堆厂房设备吊装口的位置及现场吊装能力将屋盖内的钢骨架划分为若干钢骨架子模块，其中，设备吊装口处的钢骨架子模块单独划分，所述钢骨架子模块由若干榀工字型钢骨架拼接而成；在工厂制作工字型钢骨架11、钢埋件6、钢牛腿4、钢埋件5及水平支撑等各类钢构件，按模钢骨架子块划分要求将相应榀数的工字型钢骨架11拼接为各钢骨架子模块，并将钢埋件6焊接在各钢骨架子模块两端分别形成对应的钢骨架模块G，安装各钢骨架模块G内的水平支撑7，将钢牛腿4与钢埋件5焊接形成支撑模块H；待厂房侧墙混凝土浇注至指定标高(该标高根据屋盖设计确定)时，将支撑模块H埋入厂房长向侧墙0-1并浇筑混凝土至屋盖底标高a，待混凝土凝结硬化后，将非设备吊装口处的钢骨架模块G吊至支撑模块H上，钢骨架模块G两端与支撑模块H连接；安装屋盖设备吊装口处的临时维护结构，临时维护结构形式可为轻型钢屋盖，通过轻型钢屋盖支座连接板与钢骨上翼缘钢板11-1采用高强螺栓3连接；厂房侧墙混凝土浇筑至屋盖顶标高b处，同时安装钢骨架模块G与短向侧墙0之间的水平支撑7；绑扎工字型钢骨混凝土组合梁1底板的钢筋，浇筑工字型钢筋混凝土底板高度范围内混凝土，同时浇筑相应高度及宽度范围内长向侧墙0-1混凝土，工字型钢筋混凝土腹板、顶板依次照底板施工；待设备进场后拆除临时维护结构，待全部设备吊装完毕后，按照非设备吊装口处屋盖的施工工序建造设备吊装口处屋盖，完成整个单侧钢板混凝土空心组合屋盖的施工；

在役期间对屋盖进行临时开洞，先拆除原设备吊装口处屋盖，在役期间大型设备更换或检修完成后，安装重新制作的原设备吊装口处的钢骨架子模块，按照前述步骤完成原设备吊装口处屋盖钢筋混凝土的现场制作。

本发明的提出的单侧钢板混凝土空心组合屋盖特别适用于核电厂大跨度厂房，还可用于其他与核电厂大跨度厂房类似具有临时开洞需求、土建与设备安装交叉作业复杂的大跨度构筑物。