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(yù)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(zhǔn)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(yù)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(yán)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(yù)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(zhǔn)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)埋件的約束作用，通過約束模塊與底板上預(yù)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(fēng)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(fēng)速不超過8.9 m/s，因此，保守考慮，將風(fēng)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(dǎo)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(biāo)與報告提供的重心坐標(biāo)進行比較，結(jié)果如表1所示。由表1可知，模塊重心坐標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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(zhǔn)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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