第三代核電站大型結(jié)構(gòu)模塊吊裝分析

葉志燕，劉建衛(wèi)，儲艷春

(上海核工程研究設(shè)計院，上海市，200233)

0 引言

模塊化建造是第三代壓水堆核電站采用了先進的施工理念，大量引入平行作業(yè)，依托先進技術(shù)，將土建、安裝、調(diào)試等工序進行深度交叉的新技術(shù)。其基本原理是轉(zhuǎn)移現(xiàn)場工作量，即把現(xiàn)場施工的工作量轉(zhuǎn)移到工廠中完成，一般有設(shè)計、預制、運輸和吊裝的環(huán)節(jié)。模塊化建造的最大優(yōu)點是可以通過減少在現(xiàn)場的施工量而縮短核電站的建設(shè)工期，采用模塊化后，大量的施工工作在工廠完成，可以更好地保證施工質(zhì)量。然而，模塊化技術(shù)在提供各種便利的同時，卻增加了施工的難度，一些大型模塊的運輸和吊裝給現(xiàn)場施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如何安全地完成大型結(jié)構(gòu)模塊的吊裝已成為核電站建設(shè)的難點和熱點［1-2］。

1 施工難點和技術(shù)路線

在常規(guī)的模塊化建造中，基本的建造順序為:制作模塊;從制造廠運輸?shù)浆F(xiàn)場施工區(qū)進行拼裝;現(xiàn)場吊裝就位。部分大型結(jié)構(gòu)模塊的重量大，外形尺寸大，內(nèi)部附件多且分布不規(guī)則，重心位置不易確定，且模塊吊裝的安裝精度和變形要求非常高，因此模塊的運輸和吊裝難度大［3］。

根據(jù)大型結(jié)構(gòu)模塊的特點和現(xiàn)場的實際情況，大型結(jié)構(gòu)模塊的吊裝技術(shù)路線為:先對吊索具進行連接，并對吊裝設(shè)備進行檢查;接著進行模塊的試吊，對水平度進行調(diào)整，并觀測模塊的變形;待水平度和變形滿足要求后，將模塊轉(zhuǎn)動到位;最后通過吊車的起鉤、變幅和落鉤，將模塊準確就位［3-4］。

2 吊裝分析

在第三代核電廠中，輔助廠房的主要功能是為安全殼廠房外抗震Ⅰ類的機械和電氣設(shè)備提供保護和隔離，也為廠房內(nèi)的放射性設(shè)備和管道提供屏蔽。結(jié)構(gòu)模塊是核島輔助廠房中的主要組成部分，用于乏燃料儲存、傳輸、熱交換以及廢物收集的大型鋼結(jié)構(gòu)模塊，在核島廠房中的位置如圖1所示［5］。該結(jié)構(gòu)模塊主要由鋼面板、角鋼、槽鋼和剪力釘?shù)葮?gòu)件組成，如圖2所示。

在該結(jié)構(gòu)模塊吊裝前，組合樓板上已預安裝有重要設(shè)備，對結(jié)構(gòu)模塊的安全性和功能適用性要求均很高，因此，模塊安裝精度和變形要求更嚴格。由于結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件多，變形難以同步協(xié)調(diào)，且存在拼裝焊接產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力和變形，應(yīng)力分布不明確，因此在結(jié)構(gòu)模塊吊裝之前有必要進行有限元分析，預測吊裝時產(chǎn)生的最大變形和最大應(yīng)力，為模塊的安全、準確就位提供強有力的理論支撐。

2.1 有限元模型

根據(jù)該結(jié)構(gòu)模塊的構(gòu)造和吊裝過程的受力特點，選用SHELL43單元模擬模塊墻的鋼面板、角鋼、樓面板和T型鋼，用BEAM188單元模擬槽鋼和支撐，設(shè)備的質(zhì)量用質(zhì)量單元MASS21模擬，栓釘、焊縫和噴漆的重量通過放大墻面板和樓面板的密度來考慮，應(yīng)用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)模塊建立有限元模型［6］，如圖3所示。

由吊裝路線知，大型結(jié)構(gòu)模塊的吊裝可分為3個階段，即起吊和吊運階段、定位階段、就位階段。這3個階段的有限元模型邊界條件分別為:

(1)起吊和吊運階段。此時模塊通過吊耳與吊具相連，通過約束模塊與吊耳連接板接觸點的自由度來實現(xiàn)。

圖3 結(jié)構(gòu)模塊有限元模型Fig.3 Finite element model of structural module

(2)定位階段。此時模塊吊具和導向銷相連，通過約束模塊與吊耳連接板接觸點的自由度和在模塊與導向銷接觸點處施加水平力來實現(xiàn)。

(3)就位階段。此時模塊受到底板上預埋件的約束作用，通過約束模塊與底板上預埋件接觸點的自由度來實現(xiàn)。

2.2 吊裝分析

結(jié)構(gòu)模塊吊裝的3個階段除了約束條件不同外，其計算方法均相同。大型結(jié)構(gòu)模塊吊裝過程的荷載主要有模塊和設(shè)備自重和風荷載。對于模塊和設(shè)備的自重，考慮動力影響等，取1.25倍的荷載放大系數(shù)。由于大型結(jié)構(gòu)模塊吊裝時要求風速不超過8.9 m/s，因此，保守考慮，將風速取為8.9 m/s［7］。對該結(jié)構(gòu)模塊進行吊裝有限元分析知，吊裝過程中的最大Von Mises應(yīng)力為158.397 MPa，位于模塊墻面鋼面板與導向銷接觸處，如圖4所示。臨時支撐的最大構(gòu)件的Von Mises應(yīng)力為73.275 MPa，如圖5所示。整個模塊的最大Von Mises應(yīng)力值小于材料的屈服應(yīng)力(235 MPa)，說明材料處于彈性狀態(tài)［8］。模塊的最大位移為17.117 mm，小于 L/240(20.6 mm)［9］，如圖6 所示。因此，結(jié)構(gòu)模塊能滿足吊裝要求。將有限元模型得到的結(jié)構(gòu)模塊重心坐標與報告提供的重心坐標進行比較，結(jié)果如表1所示。由表1可知，模塊重心坐標的誤差很小，有限元模型與實際模型基本吻合。

表1 結(jié)構(gòu)模塊重心坐標的比較Tab.1 Comparison of centroid of structural module

2.3 構(gòu)件驗算

結(jié)構(gòu)模塊在吊裝過程中，除了結(jié)構(gòu)整體的最大應(yīng)力和最大變形需滿足吊裝要求外，模塊中的構(gòu)件(如墻面板、角鋼和槽鋼)也需滿足規(guī)范的相關(guān)要求。

根據(jù)AISC N690，壓彎組合時構(gòu)件應(yīng)力需滿足式(1)和(2)的要求［10］:

拉彎組合時構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)滿足式(4)的要求。

抗剪時構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)滿足式(5)的要求。

式中:fa為軸向應(yīng)力設(shè)計值，fby和fbz為彎曲應(yīng)力設(shè)計值，fV為剪應(yīng)力設(shè)計值，Cmy和Cmz彎曲系數(shù)，F(xiàn)a為允許軸向壓應(yīng)力，F(xiàn)t為允許軸向拉應(yīng)力，F(xiàn)by和Fbz為允許彎曲應(yīng)力，F(xiàn)y為材料屈服強度，F(xiàn)V為允許剪應(yīng)力，F(xiàn)'ey和F'ez為考慮安全系數(shù)后的歐拉臨界應(yīng)力。

對于模塊強面板，采用Von Mises屈服準則進行驗算，其Von Mises應(yīng)力需滿足式(6)的要求［11］。

根據(jù)有限元分析結(jié)果，提取角鋼和槽鋼的內(nèi)力以及鋼面板的Von Mises應(yīng)力，進行規(guī)范驗算，構(gòu)件驗算結(jié)果如表2所示。由表2知，最大的應(yīng)力比為0.67，小于1.00，滿足規(guī)范要求。

表2 構(gòu)件規(guī)范驗算結(jié)果Tab.2 Standard evaluation results

3 結(jié)語

模塊化建造給第三代核電機組的建造提供了許多有利之處，同時也給現(xiàn)場施工帶來困難和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)場吊裝涉及到許多客觀因素的限制，在施工過程中如何設(shè)計合理的吊裝流程和臨時支撐體系，是保證安全準確吊裝和提高施工效率的關(guān)鍵。本文通過理論分析，結(jié)合施工現(xiàn)場的實際情況，采用合理的施工工藝，實現(xiàn)了安全、高效地完成大型結(jié)構(gòu)模塊吊裝，為今后大型結(jié)構(gòu)模塊的施工提供了寶貴經(jīng)驗。

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