体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构的制作方法

本发明属于危险化学品或者设备的存放结构研究领域，具体涉及一种体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构。

背景技术

随着能源需求的增加和环境保护的日益重视，清洁高效的核能发电已经成为世界各国发展的重点。当前，我国运行核电机组位于世界第四，在建核电机组位于世界第一，核能发电已经成为我国能源发展的重点。核安全壳结构是核反应堆的最后一道安全屏障，其核心功能要求是保证核电站的安全性。一方面在发生失水事故(loca)时，核安全壳结构防止放射性物质不受控制的扩散到周边环境，避免给周围民众生命安全带来巨大伤害。一方面在大飞机的撞击作用下，核安全壳结构具有防止撞击对核电站产生破坏作用。

目前，我国正式商运的核电站都采用预应力钢筋混凝土安全壳。预应力钢筋混凝土安全壳经过三个时期的发展：第一个时期预应力混凝土安全壳采用扁穹顶，安全壳设有六根扶壁柱紧贴筒体外部，扶壁柱主要用于锚固壳体内的环向预应力筋。第二个时期的预应力混凝土安全壳将扶壁柱的数量由六个减到了三个，而预应力钢筋承载力增大了一倍，同时充分发挥了普通钢筋的作用。第三个时期的预应力混凝土安全壳将扁穹壳顶改为半球壳顶，省去了用于锚固竖向预应力筋和穹顶预应力筋的环梁，改善了结构的受力性能。

在核电站事故情况下，核安全壳将承受高温高压作用。而预应力钢筋在高温作用情况下，容易发生预应力筋松弛和失效，导致安全壳极限承载力大幅度下降。同时，从本世纪初开始，特别是“9.11”事件以来，大型商用客机(重量80t，翼展40m)偶然性撞击已经成为核安全评估的基准事件。而大飞机高速带来的动能和撞击能量，可能会直接穿透钢筋混凝土结构，进而导致核事故的发生。

基于我国华龙一号“安全壳内出事，安全壳外无事；安全壳外出事，安全壳内无事”的安全理念。借鉴航母阻拦索用于将将舰载机高速拦停的作用和功能，应用预应力钢筋具有阻拦索的功能，防止外部大飞机、不明飞行物等撞击事件对核内部设施的影响，实现了安全壳外面出现事故，安全壳内核岛设备及系统的安全。针对安全壳内核事故产生的高温高压作用，应用钢材的热胀冷缩基本特性，使内侧预应力筋失去作用，形成了结构安全壳与外侧预应力筋体系。该体系具有很高的承载内压力的功能，可以保证核安全壳的完整性，可以实现“安全壳内出事，安全壳外无事”的功能。

综上所述，现有技术中存在预应力钢筋在高温作用情况下，容易发生预应力筋松弛和失效，导致安全壳极限承载力大幅度下降；大飞机高速带来的动能和撞击能量，可能会直接穿透钢筋混凝土结构，进而导致核事故的发生；安全壳生产过程复杂繁琐，工期长等问题。

技术实现要素：

针对核电站安全壳的两个功能：一个是防止大飞机等外部撞击事件对核设施的不利影响；另一个是承受核事故在安全壳内部产生的高温高压作用，防止核物质的扩散。根据现代设计技术和变结构力学，应用预应力钢筋阻拦索功能和钢结构热胀冷缩的基本特性，将传统预应力混凝土安全壳修改钢砼组合结构安全壳，并在组合结构安全壳内侧(安全壳里面)、外侧(安全壳外面)分别布置体外预应力筋，提出并实现了核安全壳内外侧体外预应力新型结构。

一种体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构，由里到外依次由为壳内预应力体系、组合结构安全壳、壳外预应力体系三部分组成，其特征在于：壳内预应力体系由内预应力筋2和内钢压杆3组成，壳外预应力体系由外预应力筋8和外钢压杆7组成，组合结构安全壳由内钢壳4、填充混凝土5和外钢壳6组成。

所述内钢壳4和外钢壳6均通过焊接与埋件11相连，埋件11通过整体混凝土浇筑与基座1相连。

所述内钢压杆3和外钢压杆7通过焊接分别固定在内钢壳4和外钢壳6上。

所述壳内预应力体系由十字交叉的内预应力筋2组成的网状结构包络，网状结构与内钢壳4之间设置有内钢压杆3，所述壳外预应力体系由十字交叉的外预应力筋8组成的网状结构包络，网状结构与外钢壳6之间设置有外钢压杆7。

所述内预应力筋2和外预应力筋8从索具9中穿过，索具9通过螺栓与转换件10相连，且内预应力筋2和外预应力筋8均由后张法张拉制备。

所述转换件10通过焊接与内钢压杆3或外钢压杆7相连。

本发明的有益效果在于：

钢-混凝土组合结构便于核电站余热导出。安全壳余热排出系统，又称为反应堆停堆冷却系统，是核电站三大安全基本功能之一。即当反应堆停堆后，最初仍由蒸汽发生器将剩余功率这部分热量导出，当二回路不能再运行时，即由余热排出系统导出这部分热量，保证反应堆的冷却。众所周知，钢结构具有良好的导热功能。钢-混凝土组合结构便于实现良好的导热功能，符合核电站余热导出安全要求。

钢-混凝土组合结构便于连接安全壳内外预应力的安装。由于钢结构具有良好的焊接性能，可以通过焊接连接预应力钢筋的钢压杆；或者通过螺栓实现不同构件的连接，可以方便地实现体外预应力与安全壳之间的连接。同时，钢组合结构具有很好的局部承压功能和应力扩散功能，可以防止局部压力过大对结构的损伤。

本专利通过内安全壳与外安全壳之间体外预应力筋的协同作用，可以减小安全壳及其设备遭受外部事故，比如大飞机撞击和爆炸冲击等作用，和内部核事故造成的高温高压作用对核安全壳的不利影响，提高了安全壳结构的安全性和可靠性。

本新型结构构造简单，施工方便，适应于核电站的模块化设计，有利于推动核电站设备和建造的标准化，降低核电站的综合建造成本。本新型对于提高核电站安全性和经济性具有显著的意义，并适用于推广到其他类似需要的结构上。

附图说明

图1是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构剖面示意图

图2是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构内预应力筋结构俯视图

图3是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构内预应力筋结构侧视图

图4是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构壳内预应力体系正视图

图5是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构壳内预应力体系俯视图

图6是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构外预应力筋结构俯视图

图7是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构外预应力筋结构侧视图

图8是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构壳外预应力体系正视图

图9是体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构壳外预应力体系俯视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

图1中：1-基座；2-内预应力筋；3-内钢压杆；4-内钢壳；5-填充混凝土；6-外钢壳；7-外钢压杆；8-外预应力筋；11-埋件。

图2中：2-内预应力筋；3-内钢压杆；9-索；10-转换件。

图3中：2-内预应力筋；3-内钢压杆；9-索；10-转换件。

图4中：2-内预应力筋。

图5中：2-内预应力筋。

图6中：7-外钢压杆；8-外预应力筋；9-索；10-转换件。

图7中：7-外钢压杆；8-外预应力筋；9-索；10-转换件。

图8中：8-外预应力筋。

图9中：8-外预应力筋。

本结构属于装配式钢结构，可以采用多种途径方法实现本结构。本发明具体实施方案是在基础施工完成后进行的。在基础施工完成后，进行基座(1)整体混凝土浇筑，并预留预埋件(11)。钢砼组合结构安全壳可以采用工厂化预制，或者在现场制作，先安装内外钢壳(4，6)，然后填充混凝土浇筑(5)。通过焊接或者螺栓连接将各钢混凝土组合安全壳模块连接成整体，并与基础埋件焊接，见图1。为了保证连接的精度和保证施工质量，在钢安全壳内外侧布置脚手架。

接着，进行壳内外预应力筋的施工。首先进行内壳外壳钢压杆(3,7)的施工，内壳外壳钢压杆焊接在内壳外壳(4,6)上，用于支撑内预应力筋，见图2。由于核电站内壳外壳预应力筋(2,8)呈十字交叉的网状布置。对钢束进行后张法张拉，并将张拉好的预应力钢束(2,8)分别固定在预定位置。为了防止预应力钢筋和钢压杆发生锈蚀，采用直接挤压pe材料包裹防护，可以现场制作或直接购买成品使用。

脚手架可随预应力钢筋网罩的施工进度拆除，或待施工结束后统一拆除。建成后的内(外)壳预应力钢束网罩(1)分为水平、竖向和穹顶三部分，水平方向360°全周长布置，详见图3、4。

本发明从核岛厂房基座、内安全壳、外安全壳、内部填充混凝土依次逐步进行施工，然后进行内钢压杆、内预应力筋、外钢压杆、外预应力筋的安装，组成内外壳体外预应力筋核安全壳新型结构，保证结构的完整性和可靠性。

针对核电站安全壳的两个功能：一个是防止大飞机等外部撞击事件(外压)对核安全壳的破坏，避免核设施及其功能失效；另一个是承受核事故在安全壳内部产生的高温高压作用(内压)，防止核物质的扩散。为了满足核安全壳内压和外压的不同要求，应用预应力筋的阻拦索作用和钢结构热胀冷缩的特性，发明了体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构。具体地讲，就是舍弃了传统体内预应力混凝土结构形式，采用钢-混凝土组合结构安全壳(简称：组合结构安全壳)，并在组合结构安全壳内表面侧(壳内)、安全壳外表面侧(壳外)同时布置了体外预应力钢筋，大幅度地提高核安全壳的极限承载力。

在大飞机撞击事件中，壳外预应力钢筋提供第一道防护作用，通过壳外预应力钢筋阻拦作用，将飞机动能转换成壳外预应力钢筋的破坏能，并将部分能量和荷载直接转递到基础，有效地减小了大飞机的冲击速度和能量。当第一道预应力钢筋防线破坏后，钢砼组合结构安全壳与内侧预应力筋共同构建成了第二道防线。该体系应用钢砼组合结构安全壳的承压作用、壳内预应力钢筋的拉力作用，形成具有很高承载外压的结构体系。这两道防线都具有抵御外部作用的功能，能有效地提高核安全结构安全壳抵御大飞机或者其他外部撞击事件的安全性。

在核事故情况下，会造成核安全内部的高温和高压作用。本发明应用钢结构受热膨胀特性，可以使内侧预应力筋失去作用。当然，也可以通过安装温度感应计，当温度达到预警值时，使内侧预应力筋失去作用。此时，形成了组合结构安全壳与外侧预应力筋体系。此体系应用钢砼组合结构安全壳的承压作用、壳外预应力钢筋的拉力作用，形成具有很高承载内压的结构体系，可以大幅度地提高安全壳内部高温高压作用下结构的安全性。

本新型结构根据不同的事故工况，实现了变结构体系，更好地满足了核安全壳抵御大飞机外部撞击事件(外压)和核事故高温内压(内压)的两个不同的功能。同时，本结构具有理论依据可靠、受力体系明确、构造简单可靠、具有良好的经济性，可以显著地提高安全壳的施工速度，节约工期等优点。

体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构，包括：壳内预应力体系、组合结构安全壳和壳外预应力体系。其中，壳内预应力体系由内预应力筋(2)和内钢压杆(3)组成；壳外预应力体系由外预应力筋(8)和外钢压杆(7)组成；组合结构安全壳由内钢壳(4)、填充混凝土(5)和外钢壳(6)组成。舍弃了传统结构体内预应力钢筋混凝土的结构形式，采用钢组合结构；并将体内预应力钢筋分别布置在内钢壳、外钢壳的体外。

组合结构安全壳壳内外预应力体系外均由十字交叉的预应力筋组成的网状结构包络，网状结构与核安全壳之间设置有钢压杆。

组合结构安全壳由内钢壳(4)、填充混凝土(5)和外钢壳(6)组成，内外钢壳在安全壳内部填充混凝土浇筑时可作为建筑模板，即不需要另外搭建建筑模板，节省工期、材料和造价。

舍弃了传统体内预应力混凝土结构形式，在组合结构内钢壳(4)、外钢壳(6)分别布置体外预应力钢筋(2)、(8)，通过与组合结构壳组合，提供了一个安全性更高的组合结构—拉索混合结构。

内外壳体外预应力筋核安全结构安全壳具有变结构性能和优点。在核安全内部事件高温高压作用下，内钢壳预应力筋体系(2)失效，形成壳外预应力体系(8)与组合结构安全壳的结构防御体系。在外部撞击事故作用下，体外预应力(8)作为第一道防线，当第一道防线失效后，形成壳内预应力筋(2)与组合结构安全壳体系。结构体系的变化，使安全壳能承担更高的内压或者外压作用。变结构的协同作用使得安全壳具有更高的极限承载力、更好的安全性。

体外预应力—钢混凝土组合结构核安全壳新型结构具有更好的维修性和可替换性。由于本新型结构采用体外预应力筋和组合钢安全结构安全壳。当出现构件失效时，可以便于维修和更换。

本发明适用于危险化学品或者设备的存放结构，同时也适用于防止外部事件撞击。本发明符合变结构力学原理，结构构造简单合理、安全可靠，可以大幅度地提高核安全壳结构的安全性。

随着能源需求的增加和环境保护的日益重视，清洁高效的核能发电已经成为世界各国发展的重点。当前，我国运行核电机组位于世界第四，在建核电机组位于世界第一，核能发电已经成为我国能源发展的重点。核安全壳结构是核反应堆的最后一道安全屏障，其核心功能要求是保证核电站的安全性。一方面在发生失水事故(loca)时，核安全壳结构防止放射性物质不受控制的扩散到周边环境，避免给周围民众生命安全带来巨大伤害。一方面在大飞机的撞击作用下，核安全壳结构具有防止撞击对核电站产生破坏作用。

目前，我国正式商运的核电站都采用预应力钢筋混凝土安全壳。预应力钢筋混凝土安全壳经过三个时期的发展：第一个时期预应力混凝土安全壳采用扁穹顶，安全壳设有六根扶壁柱紧贴筒体外部，扶壁柱主要用于锚固壳体内的环向预应力筋。第二个时期的预应力混凝土安全壳将扶壁柱的数量由六个减到了三个，而预应力钢筋承载力增大了一倍，同时充分发挥了普通钢筋的作用。第三个时期的预应力混凝土安全壳将扁穹壳顶改为半球壳顶，省去了用于锚固竖向预应力筋和穹顶预应力筋的环梁，改善了结构的受力性能。

在核电站事故情况下，核安全壳将承受高温高压作用。而预应力钢筋在高温作用情况下，容易发生预应力筋松弛和失效，导致安全壳极限承载力大幅度下降。同时，从本世纪初开始，特别是“9.11”事件以来，大型商用客机(重量80t，翼展40m)偶然性撞击已经成为核安全评估的基准事件。而大飞机高速带来的动能和撞击能量，可能会直接穿透钢筋混凝土结构，进而导致核事故的发生。

基于我国华龙一号“安全壳内出事，安全壳外无事；安全壳外出事，安全壳内无事”的安全理念。借鉴航母阻拦索用于将将舰载机高速拦停的作用和功能，应用预应力钢筋具有阻拦索的功能，防止外部大飞机、不明飞行物等撞击事件对核内部设施的影响，实现了安全壳外面出现事故，安全壳内核岛设备及系统的安全。针对安全壳内核事故产生的高温高压作用，应用钢材的热胀冷缩基本特性，使内侧预应力筋失去作用，形成了结构安全壳与外侧预应力筋体系。该体系具有很高的承载内压力的功能，可以保证核安全壳的完整性，可以实现“安全壳内出事，安全壳外无事”的功能。

用型钢或钢板焊接(或冷压)成钢截面，再通过外包混凝土或内填混凝土或通过连接件连接，使型钢与混凝土形成整体共同受力，通称钢-混凝土组合结构。本申请采用钢制内外壳，中间填充混凝土的钢混凝土组合结构。与混凝土结构相比，钢-混凝土组合结构具有更高的承载力。同时，钢-混凝土组合结构便于工厂化预制，并且施工方便。另外，钢-混凝土组合结构在核电站的应用还具有如下优点：

(1)钢-混凝土组合结构便于核电站余热导出。安全壳余热排出系统，又称为反应堆停堆冷却系统，是核电站三大安全基本功能之一。即当反应堆停堆后，最初仍由蒸汽发生器将剩余功率这部分热量导出，当二回路不能再运行时，即由余热排出系统导出这部分热量，保证反应堆的冷却。众所周知，钢结构具有良好的导热功能。钢-混凝土组合结构便于实现良好的导热功能，符合核电站余热导出安全要求。

(2)钢-混凝土组合结构便于连接安全壳内外预应力的安装。由于钢结构具有良好的焊接性能，可以通过焊接连接预应力钢筋的钢压杆；或者通过螺栓实现不同构件的连接，可以方便地实现体外预应力与安全壳之间的连接。同时，钢组合结构具有很好的局部承压功能和应力扩散功能，可以防止局部压力过大对结构的损伤。

本专利通过内安全壳与外安全壳之间体外预应力筋的协同作用，可以减小安全壳及其设备遭受外部事故，比如大飞机撞击和爆炸冲击等作用，和内部核事故造成的高温高压作用对核安全壳的不利影响，提高了安全壳结构的安全性和可靠性。

本新型结构构造简单，施工方便，适应于核电站的模块化设计，有利于推动核电站设备和建造的标准化，降低核电站的综合建造成本。本新型对于提高核电站安全性和经济性具有显著的意义，并适用于推广到其他类似需要的结构上。

针对核电站安全壳的两个功能：一个是防止大飞机等外部撞击事件对核设施的不利影响；另一个是承受核事故在安全壳内部产生的高温高压作用，防止核物质的扩散。根据现代设计技术和变结构力学，应用预应力钢筋阻拦索功能和钢结构热胀冷缩的基本特性，将传统预应力混凝土安全壳修改钢砼组合结构安全壳，并在组合结构安全壳内侧(安全壳里面)、外侧(安全壳外面)分别布置体外预应力筋，提出并实现了核安全壳内外侧体外预应力新型结构。

本结构属于装配式钢结构，可以采用多种途径方法实现本结构。本发明具体实施方案是在基础施工完成后进行的。在基础施工完成后，进行基座(1)整体混凝土浇筑，并预留预埋件(11)。钢砼组合结构安全壳可以采用工厂化预制，或者在现场制作，先安装内外钢壳(4，6)，然后填充混凝土浇筑(5)。通过焊接或者螺栓连接将各钢混凝土组合安全壳模块连接成整体，并与基础埋件焊接，见图1。为了保证连接的精度和保证施工质量，在钢安全壳内外侧布置脚手架。

接着，进行壳内外预应力筋的施工。首先进行内壳外壳钢压杆(3,7)的施工，内壳外壳钢压杆焊接在内壳外壳(4,6)上，用于支撑内预应力筋，见图2。由于核电站内壳外壳预应力筋(2,8)呈十字交叉的网状布置。对钢束进行后张法张拉，并将张拉好的预应力钢束(2,8)分别固定在预定位置。为了防止预应力钢筋和钢压杆发生锈蚀，采用直接挤压pe材料包裹防护，可以现场制作或直接购买成品使用。

脚手架可随预应力钢筋网罩的施工进度拆除，或待施工结束后统一拆除。建成后的内(外)壳预应力钢束网罩(1)分为水平、竖向和穹顶三部分，水平方向360°全周长布置。

本发明从核岛厂房基座、内安全壳、外安全壳、内部填充混凝土依次逐步进行施工，然后进行内钢压杆、内预应力筋、外钢压杆、外预应力筋的安装，组成内外壳体外预应力筋核安全壳新型结构，保证结构的完整性和可靠性。