“華龍一號(hào)”外層安全殼穹頂鋼模板優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

史晨程，李玉民，楊建華，陳 健，張衛(wèi)國(guó)，蔡利建，蔣 迪

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

為抵御商用大飛機(jī)的撞擊，“華龍一號(hào)”安全殼為雙層結(jié)構(gòu)，其中外層安全殼為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外殼穹頂為準(zhǔn)扁球形殼體結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。

圖1 雙層安全殼剖面圖Fig.1 Double containment section

為提高“華龍一號(hào)”的施工安全性，并縮短建設(shè)總工期，福清核電6號(hào)機(jī)組設(shè)計(jì)了一種可整體吊裝的外殼穹頂施工模板。該模板為永久性不可拆卸模板，由Q345B牌號(hào)的鋼板與型鋼加勁肋（H型鋼和角鋼）組成，采用環(huán)向與徑向型鋼加勁肋相互交叉布置形式，如圖2所示。鋼板和型鋼加勁肋的用鋼量合計(jì)約為355 t，拉桿的用鋼量約為 40 t，合計(jì)約395 t，型鋼加勁肋設(shè)置于鋼板外側(cè)。該模板在現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成后整體吊裝至外殼頂部，作為穹頂混凝土澆筑施工模板。

圖2 外殼穹頂鋼模板俯視平面圖Fig.2 Top view of the steel formwork of the outer containment dome

此前，國(guó)內(nèi)外在安全殼穹頂模板吊裝分析[1]、澆筑施工分析[2]、抗飛機(jī)撞擊分析[3]等方面已積累了大量研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但該設(shè)計(jì)在以下兩個(gè)方面有明顯的突破：

（1） 澆筑厚度大，因現(xiàn)場(chǎng)施工工藝要求，一次澆筑厚度高達(dá)1.5 m。

（2） 抗商用大飛機(jī)撞擊分析中考慮了鋼模板的貢獻(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)思路及理念

本設(shè)計(jì)按照以下思路開(kāi)展：方案調(diào)研、計(jì)算分析、施工圖設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工配合。

在方案調(diào)研階段考慮了三種結(jié)構(gòu)形式方案：鋼網(wǎng)架（網(wǎng)殼）方案、鋼板混凝土結(jié)構(gòu)方案及鋼襯里方案。根據(jù)外層安全殼穹頂施工模板支撐需求，對(duì)三種方案進(jìn)行了調(diào)研和對(duì)比分析。在綜合考慮施工可行性、技術(shù)成熟度及工期要求等因素后，最終選取了鋼襯里方案。

計(jì)算分析階段的主要工作：結(jié)合結(jié)構(gòu)實(shí)際受荷情形和現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工澆筑工藝等，進(jìn)行整體鋼模板的吊裝、混凝土澆筑、抗震、抗大飛機(jī)撞擊等計(jì)算分析工作，從而調(diào)整和優(yōu)化布置方案。為降低混凝土澆筑荷載及優(yōu)化穹頂設(shè)計(jì)，擬將外殼穹頂厚度由1.8 m減至1.5 m。

施工圖設(shè)計(jì)階段的主要工作：與施工單位交流溝通，確定施工圖的相關(guān)構(gòu)造等要求，包括模板的加工方案、整體吊裝方案、現(xiàn)場(chǎng)安裝方案、澆筑方案等。

現(xiàn)場(chǎng)施工配合階段的主要工作：配合現(xiàn)場(chǎng)完成加工、拼裝、吊裝及澆筑等工作，對(duì)施工工程中遇到的難點(diǎn)配合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析核算，提出可行的解決方法。

2 具體設(shè)計(jì)方法

外殼穹頂鋼模板支撐體系主要進(jìn)行吊裝分析、混凝土澆筑階段分析、抗震分析及商用大飛機(jī)撞擊分析四部分的內(nèi)容。此外為實(shí)現(xiàn)鋼模板內(nèi)側(cè)檢修的可達(dá)性，還增加了穹頂內(nèi)側(cè)檢修維護(hù)措施。

2.1 吊裝分析

外殼穹頂鋼模板吊裝分析采用 ANSYS軟件建模計(jì)算[4]，共設(shè)置16個(gè)吊點(diǎn)。吊裝過(guò)程中考慮起吊階段和水平轉(zhuǎn)運(yùn)階段兩種荷載工況，水平及豎向荷載均按照慣性力考慮。[5]吊裝分析中強(qiáng)度采用靜態(tài)計(jì)算，并考慮大變形效應(yīng)，起吊階段的鋼模板的最大變形如圖3所示。穩(wěn)定性計(jì)算采用特征值屈曲分析，起吊階段的最低階屈曲模態(tài)如圖 4所示。吊裝階段鋼模板的屈曲荷載系數(shù)（第一階屈曲荷載與荷載標(biāo)準(zhǔn)值的比值）及強(qiáng)度安全系數(shù)（屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下最大應(yīng)力的比值）匯總于表1。

表1 吊裝階段鋼模板的屈曲荷載系數(shù)及強(qiáng)度安全系數(shù)Table 1 Buckling load factor and strength safety factor of the steel formwork during the hoisting stage

圖3 起吊階段鋼模板的最大變形Fig.3 Maximum deformation of the steel formwork during the lifting stage

圖4 起吊階段的最低階屈曲模態(tài)Fig.4 The lowest buckling mode during the lifting stage

通過(guò)吊裝分析發(fā)現(xiàn)：外殼穹頂鋼模板在吊裝階段未出現(xiàn)屈服或者屈曲，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求。

此外還根據(jù)吊裝分析的計(jì)算結(jié)果完成了吊耳設(shè)計(jì)。

2.2 混凝土澆筑階段分析

外殼穹頂厚1.5 m，若一次澆筑，則施工荷載過(guò)大，且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工工藝要求，分層澆筑方案較難實(shí)現(xiàn)，故外穹頂混凝土采用分段式澆筑。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)初步計(jì)算分析，對(duì)外殼穹頂?shù)幕炷潦┕ぬ岢隽苏Νh(huán)形分段澆筑的施工順序要求，具體可分為圖5中所示的11個(gè)施工環(huán)段。

圖5 外穹頂混凝土施工環(huán)段分段示意圖Fig.5 Segment diagram of the concrete construction for the outer containment dome

外殼穹頂鋼模板混凝土澆筑階段分析采用ANSYS軟件建模計(jì)算。根據(jù)混凝土分段澆筑施工順序，在鋼模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中針對(duì)11個(gè)施工階段分別考慮相應(yīng)的施工設(shè)計(jì)荷載。各施工階段強(qiáng)度采用靜態(tài)計(jì)算，并考慮大變形效應(yīng)，應(yīng)力結(jié)果如表 2所示；穩(wěn)定性計(jì)算采用特征值屈曲分析、彈性全過(guò)程分析和彈塑性全過(guò)程分析[6]，結(jié)果如表3所示。

表2 各施工階段應(yīng)力結(jié)果Table 2 Stress results of each construction stage MPa

表3 各施工階段鋼模板的穩(wěn)定系數(shù)Table 3 Stability coefficient of the steel formwork during each construction stage

通過(guò)混凝土澆筑階段分析發(fā)現(xiàn)：鋼模板在混凝土澆筑階段未出現(xiàn)屈服及失穩(wěn)屈曲，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足要求。

此外，由于分段施工澆筑的原因，在施工縫附近設(shè)置了H型鋼拉桿，從而保證已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土能夠與鋼模板協(xié)同受力。經(jīng)核算，拉桿設(shè)計(jì)滿足要求。

2.3 抗震分析

抗震分析采用 ANSYS軟件建模，計(jì)算采用反應(yīng)譜分析法。計(jì)算在整體計(jì)算模型（外層安全殼和防護(hù)廠房整體模型）中進(jìn)行，模型如圖6所示。計(jì)算中鋼模板不作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與受力，僅將其作為附加質(zhì)量進(jìn)行考慮。實(shí)際抗震工況下，鋼模板可以與鋼筋混凝土部分協(xié)同受力，模型中的考慮偏于安全。且因鋼模板的截面高度遠(yuǎn)小于鋼筋混凝土部分，模型與實(shí)際偏差不大。抗震分析結(jié)果表明，在穹頂厚度減為1.5 m后，穹頂內(nèi)側(cè)減少一層配筋后的實(shí)際配筋量滿足計(jì)算配筋量的要求。結(jié)合抗震分析結(jié)果，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，內(nèi)層配筋可減少一層。

圖6 抗震分析整體計(jì)算模型Fig.6 Overall calculation model of the seismic analysis

2.4 商用大飛機(jī)撞擊分析

商用大飛機(jī)撞擊分析采用有限元軟件LS-DYNA模擬，模型中穹頂厚度為1.5 m，且內(nèi)層配筋為單層雙向，外殼穹頂由鋼模板和鋼筋混凝土組成疊合的組合結(jié)構(gòu)，外殼模型如圖 7所示。

圖7 帶鋼模板的外殼模型Fig.7 Outer concrete containment model with steel formwork

商用大飛機(jī)撞擊分析采用商用大飛機(jī)三維有限元模型進(jìn)行加載，撞擊位置選取牛腿位置、穹頂根部、穹頂半跨的中心、穹頂頂部四個(gè)撞擊位置，如圖8所示。

圖8 商用大飛機(jī)撞擊位置Fig.8 Impact location of commercial aircraft

商用大飛機(jī)撞擊分析結(jié)果表明：撞擊區(qū)域背面混凝土有局部剝落，但沒(méi)有形成貫通的損傷裂縫，內(nèi)側(cè)主筋及鋼模板均未達(dá)到失效應(yīng)變，外殼穹頂仍然具有完整性?？梢?jiàn)，帶鋼模板的APC殼能夠抵御設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中給定的商用大飛機(jī)的撞擊。

3 優(yōu)化及創(chuàng)新

“華龍一號(hào)”外層安全殼穹頂鋼模板優(yōu)化設(shè)計(jì)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1） 外殼穹頂采用整體吊裝的鋼模板作為混凝土施工用模板，避免了腳手架搭拆、模板轉(zhuǎn)運(yùn)及支設(shè)作業(yè)，提高了施工安全性，可以提前7.5個(gè)月具備安全殼打壓試驗(yàn)條件。

（2） 對(duì)大跨度（53 m）帶肋扁球殼鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了考慮大體積混凝土（厚度為1.5 m）澆筑的施工全過(guò)程模擬分析，包括特征值屈曲分析、彈性全過(guò)程分析和彈塑性全過(guò)程分析等，從強(qiáng)度到穩(wěn)定性方面確保了結(jié)構(gòu)整體安全可靠性。

（3） 根據(jù)外殼鋼穹頂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了多種大體積混凝土澆筑方案的對(duì)比分析，提出了最優(yōu)的分段對(duì)稱澆筑的施工順序要求，從重量、結(jié)構(gòu)構(gòu)件選型和布置等方面優(yōu)化了鋼模板設(shè)計(jì)方案。

（4） 首次進(jìn)行了鋼模板與混凝土疊合扁球殼組合結(jié)構(gòu)的抗商用大飛機(jī)撞擊分析，在保證撞擊作用下鋼模板安全可靠的同時(shí)，合理考慮鋼模板的貢獻(xiàn)，減小了外穹頂厚度和配筋量。

4 結(jié)論

4.1 后續(xù)發(fā)展建議

考慮進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以節(jié)約鋼筋用量。比如鋼板混凝土結(jié)構(gòu)，既可以作為施工階段的模板，又可以作為永久構(gòu)件發(fā)揮抗震、抗大飛機(jī)撞擊的作用，是一種合理的結(jié)構(gòu)形式。

4.2 存在的問(wèn)題、經(jīng)驗(yàn)與建議

結(jié)合設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出以下兩點(diǎn)建議。

（1） 鋼模板在吊裝過(guò)程中可能存在氣流漩渦荷載的影響，在混凝土澆筑階段會(huì)有應(yīng)力繼承、環(huán)境溫度、混凝土水化熱和干縮變形等影響因素，這些因素可能會(huì)對(duì)鋼模板的受力情況有一定影響。建議在吊裝及分段施工階段對(duì)鋼模板的應(yīng)力和變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，加深對(duì)鋼模板的受力狀態(tài)變化情況的掌握，為后續(xù)的穹頂模板設(shè)計(jì)積累數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

（2）建議在方案優(yōu)化過(guò)程中加強(qiáng)與施工方的溝通協(xié)調(diào)，及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)要求。