左紹兵 儲(chǔ)艷春 葉志燕

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

AP1000核電廠抗震I類大型結(jié)構(gòu)模塊吊裝分析研究

左紹兵 儲(chǔ)艷春 葉志燕

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

模塊化設(shè)計(jì)和建造方法是AP1000第三代核電廠特點(diǎn)之一，但同時(shí)也面臨著大型模塊的吊裝挑戰(zhàn)。本文基于ANSYS大型有限元計(jì)算軟件，對AP1000核電廠中大型結(jié)構(gòu)模塊CA01進(jìn)行了吊裝工況下的有限元分析，計(jì)算了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，并對構(gòu)件進(jìn)行了規(guī)范驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，在合理設(shè)置臨時(shí)支撐的情況下，CA01模塊能夠安全吊裝就位，為大型結(jié)構(gòu)模塊的順利吊裝提供強(qiáng)有力的理論支撐。

AP1000，結(jié)構(gòu)模塊，吊裝，有限元分析

模塊化技術(shù)是核電工程項(xiàng)目中縮短設(shè)計(jì)周期和節(jié)省投資的一種新型設(shè)計(jì)和建造技術(shù)，通過工廠化制造與現(xiàn)場施工的平行建造法，使土建施工和模塊加工制造同步進(jìn)行，以達(dá)到降低制造成本和提高經(jīng)濟(jì)性的目的。在近幾年，中國引進(jìn)的美國西屋AP1000第三代核電技術(shù)采用了模塊化技術(shù)，其中最大的結(jié)構(gòu)模塊是CA01結(jié)構(gòu)模塊，其軸測示意圖如圖1所示。

圖1 CA01模塊軸測示意圖Fig.1 Isometric drawing of CA01 module.

很多學(xué)者對不同形式結(jié)構(gòu)的吊裝進(jìn)行了研究，如陳輝等運(yùn)用SAP2000分析軟件對安全殼頂封頭的吊點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行了研究[1]，陳吉杉等對吊裝過程中的動(dòng)載系數(shù)進(jìn)行了研究[2]，張齊凱等采用大型通用有限元計(jì)算軟件ANSYS對渤海某海洋平臺(tái)水平片吊裝進(jìn)行了強(qiáng)度和位移分析計(jì)算[3]。以上研究中吊裝結(jié)構(gòu)的體積和重量均相對較小，部分有限元模型經(jīng)過簡化處理，不能準(zhǔn)確考慮吊點(diǎn)和重心之間的關(guān)系，還有的研究忽略了風(fēng)荷載的作用。本文將在精確計(jì)算吊裝結(jié)構(gòu)重心和吊點(diǎn)位置，并充分考慮風(fēng)荷載等因素下，對總吊裝重量約1050噸的大型結(jié)構(gòu)模塊CA01的吊裝分析進(jìn)行研究，為大型模塊的安全吊裝就位提供強(qiáng)有力的理論支撐。

1 吊裝分析模型的建立

1.1 CA01結(jié)構(gòu)模塊

AP1000核電項(xiàng)目中CA01模塊位于反應(yīng)堆廠房內(nèi)，外形尺寸長為29 m、寬為25 m、高為26 m，凈重約760 t，總吊裝重量約1050 t，CA01模塊典型墻體由鋼面板、剪力釘、鋼桁架等構(gòu)件組成.，如圖2所示。在澆筑混凝土?xí)r，鋼面板可以作為模板。在使用階段，鋼面板與混凝土形成組合結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)外荷載。鋼面板和混凝土之間力的傳遞通過剪力釘來完成，槽鋼和角鋼組成的鋼桁架是鋼面板組裝和模塊吊裝過程中的支撐。

圖2 CA01模塊典型墻體墻Fig.2 Typical wall of CA01 module.

1.2有限元模型

1.2.1 構(gòu)件單元模擬

在CA01模塊ANSYS有限元模型中，鋼面板和角鋼采用Shell 43單元模擬，槽鋼、T型鋼和臨時(shí)支撐采用Beam 188單元模擬，剪力釘重量作為均布荷載施加到鋼面板上。

1.2.2 荷載工況

大型結(jié)構(gòu)模塊吊裝階段荷載有以下幾種：

模塊自重：考慮吊裝過程的模塊傾斜、動(dòng)力影響等因素，取1.25倍的荷載放大系數(shù)。

風(fēng)荷載：吊裝時(shí)最大風(fēng)速不超過8.9 m·s?1，計(jì)算中風(fēng)速取11.1 m·s?1)，根據(jù)ASCE7-05[4]換算得計(jì)算風(fēng)壓為0.09 kN·m?2。

1.2.3 模型邊界條件

大型模塊吊裝計(jì)算分析分三個(gè)階段，一、起吊和吊運(yùn)階段；二、定位階段；三、就位階段，三個(gè)階段ANSYS有限元模型的邊界條件如下：

(1) 起吊和吊運(yùn)階段：模塊通過8個(gè)吊耳與吊具相連，由于吊裝過程中模塊移動(dòng)緩慢，此時(shí)約束條件在模型中采用約束模塊與吊耳連接板連接的節(jié)點(diǎn)的自由度來實(shí)現(xiàn)。

(2) 定位階段：吊耳連接處的約束和定位銷對模塊定位點(diǎn)的水平約束。

(3) 就位階段：就位后，模塊受到底板上預(yù)埋件的豎向約束。

CA01結(jié)構(gòu)模塊有限元模型見圖3。

圖3 CA01結(jié)構(gòu)模塊有限元模型Fig.3 Finite element model of CA01 module.

2 吊裝分析研究

由于大型模塊吊裝三個(gè)階段除了約束條件不同外，計(jì)算和分析方法均相同，本文僅對吊裝的第一個(gè)階段起吊和吊運(yùn)階段進(jìn)行分析研究。

2.1應(yīng)力和變形分析

2.1.1 應(yīng)力和變形限值

CA01結(jié)構(gòu)模塊中使用的材料如下：A36鋼板，屈服強(qiáng)度fy=248 Mpa；ASTM A240 S32101鋼板，屈服強(qiáng)度fy=448 MPa。

由于ASTM A240雙相不銹鋼的強(qiáng)度高于A36，為了方便計(jì)算分析，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的安全，模型中所有材料的強(qiáng)度均取A36材料的強(qiáng)度。

根據(jù)AISC 360-05[5]表16-D可知，在恒載和活載的共同作用下，構(gòu)件的變形不超過L/240。

2.1.2 應(yīng)力和變形計(jì)算

當(dāng)CA01模塊未設(shè)置臨時(shí)支撐時(shí)，應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件，對CA01模塊的吊運(yùn)階段進(jìn)行分析。結(jié)果表明，最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力超過了材料的屈服強(qiáng)度，最大節(jié)點(diǎn)變形也達(dá)到26 mm。根據(jù)分析結(jié)果，在CA01模塊吊裝過程中應(yīng)設(shè)置臨時(shí)支撐，臨時(shí)支撐設(shè)置情況如下圖4所示。設(shè)置臨時(shí)支撐前后，CA01模塊最大應(yīng)力和最大位移如表1所示。

圖4 CA01結(jié)構(gòu)模塊吊裝臨時(shí)支撐Fig.4 Temporary bracing of CA01 module.

表1 CA01模塊吊裝時(shí)最大應(yīng)力和最大位移Table 1 Maximum stress and deformation of CA01 module under lifting.

由上表可知，設(shè)置臨時(shí)支撐后，CA01模塊吊裝時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大變形均變小，滿足規(guī)范要求，變形云圖和應(yīng)力云圖見圖5和圖6。

圖5 設(shè)置臨時(shí)支撐時(shí)模塊變形圖Fig.5 Deformation of CA01 module with temporary braces.

圖6 設(shè)置臨時(shí)支撐時(shí)模塊應(yīng)力圖Fig.6 Stress of CA01 module with temporary braces.

以上分析表明：

(1) 合理設(shè)置臨時(shí)支撐可以減小模塊吊裝過程中的應(yīng)力和變形；

(2) 吊裝時(shí)模塊面板的最大應(yīng)力出現(xiàn)在墻的交接處；

(3) 吊裝時(shí)模塊的變形值相對較小，最大變形出現(xiàn)在模塊頂部靠近換料水池墻角的位置。

2.2構(gòu)件規(guī)范驗(yàn)證

根據(jù)ANSYS對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形計(jì)算后，還需對結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件進(jìn)行規(guī)范驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)模塊吊裝時(shí)被作為鋼結(jié)構(gòu)來考慮，相關(guān)構(gòu)件驗(yàn)算應(yīng)滿足AISC S335[6]的相關(guān)要求：

壓彎組合時(shí)構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)滿足公式(1)和公式(2)的要求：

如果fa/Fa≤0.15，構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)滿足式(3)代替式(1)和式(2)：

拉彎組合時(shí)構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)滿足式(4)：

抗剪時(shí)構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)滿足式(5)：

其中：Cmv、Cmv為受壓構(gòu)件中與構(gòu)件約束有關(guān)的系數(shù)，構(gòu)件兩端有約束取0.85，無約束取1.0；fa為計(jì)算軸向壓應(yīng)力；fby、fbz分別指繞構(gòu)件截面Y軸(強(qiáng)軸)和Z軸(弱軸)的允許彎曲應(yīng)力；F′ey、F′ez為歐拉臨界應(yīng)力除以安全系數(shù)以后的應(yīng)力；F′a為允許軸向壓應(yīng)力；Fby、Fbz分別指繞構(gòu)件截面Y軸(強(qiáng)軸)和Z軸(弱軸)的允許彎曲應(yīng)力；Ft為允許軸向拉應(yīng)力；fV為計(jì)算剪應(yīng)力；FV為允許剪應(yīng)力。

由于模塊吊裝屬于施工工況，許用應(yīng)力可放大1.33倍，基于以上內(nèi)力和相關(guān)計(jì)算公式，可得CA01模塊各構(gòu)件在吊裝工況下的規(guī)范驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 CA01模塊起吊和吊運(yùn)階段構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果Table 2 Design results of CA01 module members under lifting.

3 結(jié)論

大型結(jié)構(gòu)模塊吊裝過程的有限元計(jì)算分析論證為大型模塊的成功吊裝提供了強(qiáng)有力的理論支撐，浙江三門和山東海陽核電建設(shè)現(xiàn)場CA01模塊的成功吊裝就是對該理論計(jì)算的最好證明。

本文對AP1000核電項(xiàng)目中CA01模塊進(jìn)行吊裝過程的有限元分析，得出以下結(jié)論：

(1) 大型結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)合理設(shè)置臨時(shí)支撐可以減小吊裝過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形；

(2) 大型結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)，不同截面的交接處以及結(jié)構(gòu)形式不規(guī)則處是需要重點(diǎn)關(guān)注的部位；

(3) 大型結(jié)構(gòu)模塊吊裝過程的有限元計(jì)算分析為大型模塊的成功吊裝提供了強(qiáng)有力的理論支撐。

1 陳輝, 宋平, 何菲菲, 等. AP1000安全殼頂封頭最優(yōu)吊點(diǎn)分析和吊裝方法的改進(jìn)[J]. 核電工程與技術(shù), 2011, 2: 34?38 CHEN Hui, SONG Ping, HE Feifei, et al. The optimum lifting point analysis of AP1000 containment vessel top head and improvement of handling method[J]. Nuclear Power Engineering Technology, 2011, 2: 34?38

2 陳吉杉. 垂直吊裝中動(dòng)載系數(shù)的取值分析[J]. 安裝, 2005, 142: 28?29 CHEN Jishan. Study on the dynamic load coefficient in the vertical lifting[J]. Installation, 2005, 142: 28?29

3 張齊凱, 李依澤, 劉鵬, 等. 海洋平臺(tái)水平片吊裝有限元分析[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2010, 32: 378?380 ZHANG Qikai, LI Yize, LIU Peng, et al. Finite element analysis of offshore platform lifting[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2010, 32: 378?380

4 American society of civil engineers, ASCE7-05, Minimum Design Load for Buildings and Other Structures[S], 2005. 27?28

5 American institute of steel construction, AISC 360-05, Specification for Structural Steel Buildings[S], 2005. 381?383

6 American institute of steel construction, AISC S335-1989, Specification for Structural Steel building-Allowable Stress Design and Plastic Design[S], 54?55

Study on lifting of large structure module in AP1000 nuclear power plant

ZUO Shaobing CHU Yanchun YE Zhiyan
(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Modularization is one of characteristics of AP1000 nuclear power plant, however, the challenge of large module lifting should be met. Purpose: An analysis method for large module lifting has been studied in this paper. Methods: Based on ANSYS software and steel design code of America, the finite element analysis of CA01 structure module in AP1000 nuclear power plant was conducted. Results: The analysis results show that stress and deformation meet the requirements of codes and construction when the temporary brace is properly set in CA01 module. The maximum stress can be found in the juncture of wall, and maximum deformation occurs at the corner of CA01 module. Conclusions: Proper temporary brace is important to the lifting of structure and maximum stress or deformation usually occurs at irregular locations of structure. And it is necessary to perform detail analysis before structure lifted.

AP1000, Structure module, Lifting, Finite element analysis

TU318.2，TU391

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040664

左紹兵，男，1983年出生，2009年于同濟(jì)大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要研究方向?yàn)榇笮拖冗M(jìn)壓水堆國家重大專項(xiàng)模塊化技術(shù)

2012-10-31，

2013-3-30

CLC TU318.2, TU391