屏蔽廠房整環(huán)運輸變形分析及控制

朱恒雨，王 偉，宋 平，吳 偉

(1.山東核電設(shè)備制造有限公司，山東 海陽 265118;2.山東省核電設(shè)備制造工程技術(shù)中心，山東 海陽 265118;3.煙臺市核電設(shè)備制造工程技術(shù)中心，山東 海陽 265118)

CAP1400機組屏蔽廠房鋼板混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)(簡稱SC)，整體位于鋼制安全殼CV筒體外側(cè)，共有19層，可以屏蔽內(nèi)部核輻射，防御外部物理沖擊，并具有非能動冷卻功能[1]。SC是在工廠內(nèi)進行分模塊加工預(yù)制后，運至現(xiàn)場進行分層組裝，其中每兩層作為一個運輸整體，組裝后再由運輸車運至核島附近進行吊裝就位。

SC主要由內(nèi)弧板、外弧板及鋼筋等部件構(gòu)成，待SC吊裝就位后在內(nèi)弧板、外弧板間進行混凝土澆筑。圖1為組裝后的兩層SC整體結(jié)構(gòu)，外徑為47.97 m，內(nèi)徑為45.77 m，高度為6 m，重約320 t，其中內(nèi)弧板、外弧板為25 mm厚的Q345B鋼板，內(nèi)外弧板間采用φ20 mm鋼筋進行穿孔塞焊連接。

圖1 SC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 SC structural sketch

考慮SC的結(jié)構(gòu)及短距離運輸?shù)忍攸c，采用松耦合連接方式的自行式模塊運輸車進行運輸[2]。由于SC為大型筒體結(jié)構(gòu)，剛性較差，在運輸過程中應(yīng)控制變形，以保證吊裝就位后的安裝誤差。因此需要對SC運輸過程中的變形因素及防變形措施進行分析與研究。

雙層SC整環(huán)運輸過程中主要的外部載荷包括：運輸啟制動加速度、外部風載荷、運輸車起升過程及運輸過程中的重力沖擊，取重力沖擊系數(shù)為1.1，并將風速與運輸車加速度設(shè)為同一方向作為最壞工況進行分析。運輸車之間可采用柔性控制及剛性連接支架使其保持同步運行[3,4]，本文分析時默認運輸車之間為同步運行。

本文利用Ansys軟件建模并進行有限元分析，鋼筋及內(nèi)外弧板選用默認實體單元；鋼筋劃分網(wǎng)格時，由于其數(shù)量較多，本文采用Sweep Method方式，并設(shè)置Sweep Num為5。鋼筋與弧板之間添加實體接觸，弧板與運輸車連接區(qū)域添加固定約束，模型整體施加0.174 m/s2加速度載荷(方向沿車輛行駛方向)及10.78 m/s2的重力載荷，同時給外弧板施加117 N/m2的風載荷(方向沿車輛行駛方向)。

1 運輸車數(shù)量及位置分析

本文對不同分布位置與數(shù)量的運輸車方案進行對比分析，每輛運輸車與SC的接觸弧長均為2.4 m。運輸車均采用對稱布置，整體分布有分布A和分布B兩種情況，使用五輛車與七輛車運輸時，分布A與分布B情況相同，如圖2所示。

圖2 車輛位置分布Fig.2 Cars location

表1為兩種車輛分布情況下的SC位移對比表，通過表1數(shù)據(jù)可以看出車輛采用分布B情況下的SC變形較小，圖3展示了車輛分布B情況下的SC位移云圖。從圖中可以看出SC變形主要集中在兩車之間的SC上口位置，車輛支撐位置SC變形較小。

表1 車輛分布A與分布B對比Table.1 Comparison between location A and location B

圖3 SC位移云圖Fig.3 Cloud chart of SC displacement

圖4是車輛分布B情況下不同車輛對應(yīng)的SC位移及應(yīng)力對比曲線，其中∞表示SC下端完全與運輸車接觸。從位移與應(yīng)力變化曲線可以看出：運輸車的數(shù)量與SC變形有著直接的關(guān)系，且隨著運輸車輛的增加，SC的位移與應(yīng)力也隨之減小。

圖4 不同車輛下的位移應(yīng)力對比Fig.4 Displacement and stress comparison between different cars

2 構(gòu)件變形分析

雖然使用更多的車輛運輸可以控制SC的變形問題，但施工現(xiàn)場可用場地、道路寬度、運輸成本等條件也限制了運輸車的使用數(shù)量，因此需要研究采用較少數(shù)量運輸車運輸時SC的防變形處理措施，為此首先應(yīng)確定引起SC變形的主要構(gòu)件。

2.1 鋼筋變形分析

為了了解鋼筋對SC整體變形的影響，本文分別對內(nèi)弧板與外弧板弧面添加固定約束，對鋼筋進行單獨分析，以確定鋼筋的變形量。圖5與圖6分別顯示了固定內(nèi)弧板與固定外弧板時SC的位移云圖，結(jié)果顯示兩種分析結(jié)果相近，鋼筋最大變形為22 mm，對比SC整體運輸時的位移，說明鋼筋對整體SC的變形影響不大。

圖5 內(nèi)弧板固定時鋼筋的位移云圖Fig.5 Cloud chart of SC displacement on inner plate fixed

圖6 外弧板固定時鋼筋的位移云圖Fig.6 Cloud chart of SC displacement on outer plate fixed

2.2 內(nèi)外弧板變形分析

本文通過單獨對內(nèi)弧板及外弧板進行分析，以映射出內(nèi)弧板、外弧板對SC整體變形的影響。結(jié)果表明外弧板的位移云圖也與內(nèi)弧板位移云圖變形趨勢類似，且變形趨勢與SC整體變形趨勢相近。圖7為分析得到的內(nèi)弧板與外弧板的位移曲線。圖示表明內(nèi)弧板與外弧板變形相對較大，是引起SC整體變形的主要構(gòu)件，其中內(nèi)弧板對變形的影響最大。

圖7 內(nèi)弧板與外弧板位移曲線Fig.7 Displacement curve of inner and outer arc plate

通過以上對SC鋼筋、內(nèi)弧板、外弧板的分析，可以得到以下結(jié)論：內(nèi)弧板與外弧板是引起運輸過程中變形的主要構(gòu)件，對內(nèi)弧板、外弧板采取變形控制措施，將是控制SC整體位移與應(yīng)力的研究方向。

3 防變形控制分析

通過2.2節(jié)分析可知，變形最大處位于SC上口位置，因此要更好地對SC變形進行控制，應(yīng)限制SC上口區(qū)域的形變。本文選用6輛運輸車分別對內(nèi)弧板上口與外弧板上口進行形變約束，限制上口的變形，從而觀察限制上口變形后對SC整體變形的影響，結(jié)果表明通過分別限制內(nèi)弧板及外弧板上口形變，幾乎可以完全限制SC整體的位移，效果顯著，如圖8所示。

圖8 固定上口的位移云圖Fig.8 Cloud chart of SC displacement on arc plate upper head fixed

因控制內(nèi)弧板上口與外弧板上口幾乎可以達到相同的變形控制效果，且在內(nèi)弧板上增加防變形支撐更加方便，同時不會占用SC外側(cè)空間，因此本文選用控制內(nèi)弧板上口的方式進行下一步分析。

本文采用4輛、5輛、6輛運輸車分別進行四邊形、五邊形、六邊形加固措施，對SC進行變形控制，如圖9所示，型鋼與SC上口表面平齊，支撐型鋼均使用H390 mm×300 mm×10 mm×16 mm，分析時型鋼與SC之間添加實體接觸。

圖9 多邊形加固示意圖Fig.9 Sketch of polygon reinforce

圖10(a)為不同運輸車運輸情況下采用不同支撐方式的SC位移對比曲線，從曲線中可以看出：使用相同數(shù)量的運輸車時，六邊形效果好于五邊形好于四邊形。圖10(a)中還表明，采用四邊形支撐時，用四輛車運輸變形最?。徊捎梦暹呅沃螘r，用五輛車運輸變形最??；采用六邊形支撐時，用六輛車運輸變形最小。

圖10 位移對比曲線Fig.10 Displacement comparison curve

因此不論采用4輛、5輛還是6輛車進行運輸，添加的支撐不是越多越好，而是在SC變形最大的位置添加支撐，才能達到較好的控制效果。

圖10(b)選取了4輛、5輛、6輛車分別采用四邊形、五邊形、六邊形支撐情況下的SC最大位移與不加任何支撐下的SC最大位移進行對比。結(jié)果表明通過添加合理的支撐方式，能夠?qū)C的變形進行有效的控制。

以上加固方式可以作為實際運輸過程的參考，運輸時可以在局部變形與應(yīng)力較大位置增加加勁板進行局部加強，可以進一步控制SC的變形與應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文對SC屏蔽廠房整環(huán)運輸過程的變形與防變形控制措施進行了模擬分析，先后對不同運輸車下的SC變形、不同運輸車分布位置的SC變形、SC不同構(gòu)件的變形、固定SC上口的變形、多邊形支撐下的SC變形進行了分析對比，得到了以下結(jié)論。

(1)運輸車數(shù)量越多，SC變形越小，通過對比變形大小，并考慮現(xiàn)場誤差調(diào)整范圍，本文建議使用6輛車進行運輸；

(2)采用圖2車輛分布B方式布置運輸車，能更好地控制SC變形；

(3)SC內(nèi)外弧板是SC整體變形主要構(gòu)件，其中內(nèi)弧板產(chǎn)生的影響最大；

(4)對內(nèi)弧板上口進行支撐加固可以有效地控制SC變形，本文建議在六輛車運輸情況下采用圖9六邊形支撐方式進行SC加固。