第三代核电站大型结构模块吊装分析

叶志燕，刘建卫，储艳春

(上海核工程研究设计院，上海市，200233)

0 引言

模块化建造是第三代压水堆核电站采用了先进的施工理念，大量引入平行作业，依托先进技术，将土建、安装、调试等工序进行深度交叉的新技术。其基本原理是转移现场工作量，即把现场施工的工作量转移到工厂中完成，一般有设计、预制、运输和吊装的环节。模块化建造的最大优点是可以通过减少在现场的施工量而缩短核电站的建设工期，采用模块化后，大量的施工工作在工厂完成，可以更好地保证施工质量。然而，模块化技术在提供各种便利的同时，却增加了施工的难度，一些大型模块的运输和吊装给现场施工带来了巨大的挑战。如何安全地完成大型结构模块的吊装已成为核电站建设的难点和热点［1-2］。

1 施工难点和技术路线

在常规的模块化建造中，基本的建造顺序为:制作模块;从制造厂运输到现场施工区进行拼装;现场吊装就位。部分大型结构模块的重量大，外形尺寸大，内部附件多且分布不规则，重心位置不易确定，且模块吊装的安装精度和变形要求非常高，因此模块的运输和吊装难度大［3］。

根据大型结构模块的特点和现场的实际情况，大型结构模块的吊装技术路线为:先对吊索具进行连接，并对吊装设备进行检查;接着进行模块的试吊，对水平度进行调整，并观测模块的变形;待水平度和变形满足要求后，将模块转动到位;最后通过吊车的起钩、变幅和落钩，将模块准确就位［3-4］。

2 吊装分析

在第三代核电厂中，辅助厂房的主要功能是为安全壳厂房外抗震Ⅰ类的机械和电气设备提供保护和隔离，也为厂房内的放射性设备和管道提供屏蔽。结构模块是核岛辅助厂房中的主要组成部分，用于乏燃料储存、传输、热交换以及废物收集的大型钢结构模块，在核岛厂房中的位置如图1所示［5］。该结构模块主要由钢面板、角钢、槽钢和剪力钉等构件组成，如图2所示。

在该结构模块吊装前，组合楼板上已预安装有重要设备，对结构模块的安全性和功能适用性要求均很高，因此，模块安装精度和变形要求更严格。由于结构模块的结构构件多，变形难以同步协调，且存在拼装焊接产生的焊接残余应力和变形，应力分布不明确，因此在结构模块吊装之前有必要进行有限元分析，预测吊装时产生的最大变形和最大应力，为模块的安全、准确就位提供强有力的理论支撑。

2.1 有限元模型

根据该结构模块的构造和吊装过程的受力特点，选用SHELL43单元模拟模块墙的钢面板、角钢、楼面板和T型钢，用BEAM188单元模拟槽钢和支撑，设备的质量用质量单元MASS21模拟，栓钉、焊缝和喷漆的重量通过放大墙面板和楼面板的密度来考虑，应用有限元分析软件对结构模块建立有限元模型［6］，如图3所示。

由吊装路线知，大型结构模块的吊装可分为3个阶段，即起吊和吊运阶段、定位阶段、就位阶段。这3个阶段的有限元模型边界条件分别为:

(1)起吊和吊运阶段。此时模块通过吊耳与吊具相连，通过约束模块与吊耳连接板接触点的自由度来实现。

图3 结构模块有限元模型Fig.3 Finite element model of structural module

(2)定位阶段。此时模块吊具和导向销相连，通过约束模块与吊耳连接板接触点的自由度和在模块与导向销接触点处施加水平力来实现。

(3)就位阶段。此时模块受到底板上预埋件的约束作用，通过约束模块与底板上预埋件接触点的自由度来实现。

2.2 吊装分析

结构模块吊装的3个阶段除了约束条件不同外，其计算方法均相同。大型结构模块吊装过程的荷载主要有模块和设备自重和风荷载。对于模块和设备的自重，考虑动力影响等，取1.25倍的荷载放大系数。由于大型结构模块吊装时要求风速不超过8.9 m/s，因此，保守考虑，将风速取为8.9 m/s［7］。对该结构模块进行吊装有限元分析知，吊装过程中的最大Von Mises应力为158.397 MPa，位于模块墙面钢面板与导向销接触处，如图4所示。临时支撑的最大构件的Von Mises应力为73.275 MPa，如图5所示。整个模块的最大Von Mises应力值小于材料的屈服应力(235 MPa)，说明材料处于弹性状态［8］。模块的最大位移为17.117 mm，小于 L/240(20.6 mm)［9］，如图6 所示。因此，结构模块能满足吊装要求。将有限元模型得到的结构模块重心坐标与报告提供的重心坐标进行比较，结果如表1所示。由表1可知，模块重心坐标的误差很小，有限元模型与实际模型基本吻合。

表1 结构模块重心坐标的比较Tab.1 Comparison of centroid of structural module

2.3 构件验算

结构模块在吊装过程中，除了结构整体的最大应力和最大变形需满足吊装要求外，模块中的构件(如墙面板、角钢和槽钢)也需满足规范的相关要求。

根据AISC N690，压弯组合时构件应力需满足式(1)和(2)的要求［10］:

拉弯组合时构件应力应满足式(4)的要求。

抗剪时构件应力应满足式(5)的要求。

式中:fa为轴向应力设计值，fby和fbz为弯曲应力设计值，fV为剪应力设计值，Cmy和Cmz弯曲系数，Fa为允许轴向压应力，Ft为允许轴向拉应力，Fby和Fbz为允许弯曲应力，Fy为材料屈服强度，FV为允许剪应力，F'ey和F'ez为考虑安全系数后的欧拉临界应力。

对于模块强面板，采用Von Mises屈服准则进行验算，其Von Mises应力需满足式(6)的要求［11］。

根据有限元分析结果，提取角钢和槽钢的内力以及钢面板的Von Mises应力，进行规范验算，构件验算结果如表2所示。由表2知，最大的应力比为0.67，小于1.00，满足规范要求。

表2 构件规范验算结果Tab.2 Standard evaluation results

3 结语

模块化建造给第三代核电机组的建造提供了许多有利之处，同时也给现场施工带来困难和挑战。现场吊装涉及到许多客观因素的限制，在施工过程中如何设计合理的吊装流程和临时支撑体系，是保证安全准确吊装和提高施工效率的关键。本文通过理论分析，结合施工现场的实际情况，采用合理的施工工艺，实现了安全、高效地完成大型结构模块吊装，为今后大型结构模块的施工提供了宝贵经验。

［1］魏俊明，刘琼，孙坤.第三代压水堆核电机组AP1000的模块化施工分析［J］. 电力建设，2008，29(4):63-66.

［2］李新凯.浅谈AP1000核电厂的总平面布置与模块化施工关系［J］. 湖北电力，2010(3):63-66.

［3］方小朋，沈文荣，孙克彬，等.AP1000核电项目模块化施工建造管理研究［C］//——中国核学会2009年学术年会，北京:中国核学会，2009:14-19.

［4］年发扬.AP1000核电站模块化建造浅析［C］//中国核学会2009年学术年会，北京:中国核学会，2009:387-391.

［5］孙汉虹.第三代核电技术 AP1000［M］.北京:中国电力出版社，2010:71-78.

［6］王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2009:35-37.

［7］GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［8］APP-GA-G1-001 AP1000 module design criteria［S］.

［9］UBC-97 Uniform building code［S］.

［10］AISC N690-94 Specification for the design，fabrication and erection of steel safety-related structures for nuclear facilities［S］.

［11］陈惠发.弹性与塑性力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004:80-83.