AP1000核電后續(xù)項目CR10整體吊裝技術(shù)研究

李炳穎，左學兵，張 明，羅正根，劉 曉

（國核工程有限公司，山東 海陽 265116）

AP1000核電后續(xù)項目CR10整體吊裝技術(shù)研究

李炳穎，左學兵，張 明，羅正根，劉 曉

（國核工程有限公司，山東 海陽 265116）

三門核電站和海陽核電站的AP1000依托項目建設中，CR10模塊施工采取分片組裝、分片吊裝、整體焊接成形方式建造，結(jié)合CR10模塊設計文件，并參考美國AP1000施工經(jīng)驗，從整體吊裝角度出發(fā)，利用STAAD軟件研究在后續(xù)核電項目中整體吊裝CR10的受力狀況，通過桿件和節(jié)點加強，完成整體吊裝可行性論證，并就吊裝方案做出一定程度的研究。

CR10模塊；整體吊裝；STAAD；吊裝方案

AP1000核電安全殼底封頭（CV）基礎模塊CR10支架為非抗震設計，CR10由32個相同組件組成，就位于核島底板，施工過程中用于支撐CVBH下部6～10層鋼筋，其上部16根支撐柱對應于CVBH上16個支腿，用作CVBH吊裝就位時的臨時支撐以支撐CVBH重量直至反應堆廠房基礎混凝土澆注完成。該支架外形呈雙軸對稱圓環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)半徑為10.668 m，外環(huán)半徑為21.031 m，外環(huán)高為4.366 m。模塊支架材質(zhì)由Q345B的H型鋼、角鋼、T型鋼、鋼板等型鋼及鋼棒組成，支架節(jié)點形式為焊接節(jié)點和鉸接節(jié)點。鉸接節(jié)點采用高強螺栓（10.9S）連接，支架支柱和主梁的節(jié)點為焊接接頭。CR10結(jié)構(gòu)支架重140 t，鋼筋重292 t，總重約412 t。

目前，AP1000依托項目海陽核電站和三門核電站一期CR10模塊施工時主要采用16榀單元分次吊裝、現(xiàn)場拼裝、組合的安裝方式，采用該工藝施工時，F(xiàn)CD混凝土養(yǎng)護達到相應強度后，方可進行16榀結(jié)構(gòu)單元依次吊裝、就位、固定等施工流程。為優(yōu)化施工工藝、節(jié)約工期（組裝期間與FCD并行施工），并借鑒美國第三代核電站CR10鋼筋模塊整體吊裝成功施工經(jīng)驗，探討在AP1000后續(xù)項目中采用CR10支架加鋼筋組件整體吊裝的可行性和相關(guān)施工工藝。

1　 CR10模塊吊裝索具分析

1.1吊索具選擇

（1）吊點布置

吊點布置時主要借鑒美國CR10模塊吊裝經(jīng)驗，初步布置16組，以模塊圓心成22.5°排布，每組吊點由3個吊繩組成，又分為內(nèi)外2個吊點，同時為減小由集中力引起的上橫梁桿件彎矩、剪力、撓度變形，內(nèi)外吊點初步選擇在單榀鋼支架桿件兩端上部主節(jié)點上，如圖1所示。

圖1　吊點布置圖Fig.1　Arrangement of lifting points

（2）吊索初步選擇

為減少CR10模塊吊裝變形，吊索設計時宜令主吊繩延長線盡可能通過單榀結(jié)構(gòu)重心，同時吊索與水平面夾角不應小于60°，夾角越大，受力越好，但會吊索越長，兼安全經(jīng)濟考慮，令最外側(cè)吊索水平夾角正好為60°，如圖2所示。

假設支架上部鋼筋平均分布在16個支架上，則單榀CR10單元重N=412/16=25.7 t，根據(jù)單方向受力平衡可分別列出下列方程式：

分別求出內(nèi)外吊繩內(nèi)力T1=125.68 kN，T2=153.63 kN，T3=273.33 kN。

根據(jù)《建筑施工手冊》第四版［1］公式（14-2），鋼絲繩允許拉力按下列公式計算：

式中：［Fg］——鋼絲繩的允許拉力，kN；

Fg——鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和，kN；

α——換算系數(shù)，按表14-4取，此處選擇6×37類型鋼絲繩，取α=0.82；

K——鋼絲繩的安全系數(shù)，按表14-5取K=6。

根據(jù)吊索最小鋼絲破斷拉力總和，并參照《建筑施工手冊》第四版［1］表14-3選擇合適鋼絲繩：

圖2　吊索布置圖Fig.2　Arrangement of wire rope

T1吊索最小鋼絲破斷拉力總和Fg1=125.68×6/ 0.82=919.54 kN，選擇直徑φ39 mm、公稱抗拉強度為1 700 N/mm2的6×37鋼絲繩，鋼絲繩長度24.2 m，16根重量約G1=24.2×5.308×16 kg=2.06 t。

T2吊索最小鋼絲破斷拉力總和Fg2=153.63×6/ 0.82=1 124.12 kN，選擇直徑φ43 mm、公稱抗拉強度為1 700 N/mm2的6×37鋼絲繩，公稱抗拉強度1 700 N/mm2，鋼絲繩長度24.2 m，16根重量約G1=24.2×6.553×16 kg=2.54 t。

T3吊索最小鋼絲破斷拉力總和Fg3=273.33×6/ 0.82=2 000.00 kN，選擇直徑φ56 mm、公稱抗拉強度為1 700 N/mm2的6×37鋼絲繩，鋼絲繩長度26.4 m，16根重量約G1=26.4×11.074×16 kg=4.68 t。

（3）吊索分配器具選擇

每個吊點上需設置一個與鋼絲繩配套可調(diào)拉桿，可調(diào)拉桿選用25 t級grade規(guī)格，單個可調(diào)拉桿重0.114 t；吊索分配器可以選擇海陽核電1、 2號機組穹頂?shù)跹b使用的分配器（比較穹頂?shù)跹b重量約750 t，吊裝角度約60°，CR10吊裝重量420 t，吊裝角度70.23°，穹頂?shù)跛鞣峙淦魍耆珴M足CR10吊裝）。

2　 CR10整體吊裝計算分析

2.1選用軟件

STAAD/Pro（簡稱STAAD）能夠分析及設計含有桿件、板/殼及實體元素的結(jié)構(gòu)體。

2.2桿件定義

（1）桿件屬性定義

所有桿件按照既可以承受軸向力又可以承受彎矩的梁單元考慮。其中，交叉支撐設定為承受軸力的拉壓桿考慮。

（2）截面選取

根據(jù)AP1000國產(chǎn)化后的設計圖紙，CR10鋼材為Q345B，桿件截面如下：

吊索具采用圓鋼模擬，直徑根據(jù)計算確定T1、T2、T3直徑，分別為：95 mm， 105 mm，137 mm。

2.3支座定義

吊裝狀態(tài)下，整個模型僅在頂部有外部支點，即吊索具頂端與吊車主鉤連接位置。此處不傳遞彎矩，故設定為設置固定鉸支座。

2.4節(jié)點定義

由于在吊索與吊耳連接位置、及吊索與吊索之間連接位置不傳遞彎矩，故在計算模型中設定為鉸接節(jié)點。

2.5荷載定義

荷載1：CR10結(jié)構(gòu)自重。

荷載2：CR10上部鋼筋模塊自重，按照均布荷載考慮，施加在CR10頂部徑向鋼梁上。

荷載3：風荷載。

由于吊裝時一般考慮在微風狀態(tài)下，且CR10為桁架結(jié)構(gòu)，受風荷載影響較小，故可忽略風荷載作用。

參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［2］并保守考慮，采用1.3動力荷載系數(shù)。

2.6模型組裝及建立

CR10整體計算模型如圖3所示。

圖3　CR10整體模型Fig.3　Integral lifting model of CR10

2.7計算內(nèi)容

整個模型按照靜力狀態(tài)下進行線性結(jié)構(gòu)計算，得到各桿件的最大應力值及各節(jié)點的最大相對位移。

2.8計算結(jié)果

應力計算結(jié)果見表1，從表1中可以得出最大壓應力和最大拉應力均出現(xiàn)在989號桿件上，分別為：

應力值遠大于Q345B材料的承載能力，使導致桿件的破壞導致整個結(jié)構(gòu)失效。最大水平相對位移出現(xiàn)在1001號桿件上，約為38.1 mm，見表2。

2.9結(jié)構(gòu)加強

表中結(jié)果顯示，CR10原結(jié)構(gòu)不能滿足整體吊裝情況下的強度要求，可以考慮對其進行整體加強，參考美國AP1000項目CR10整體吊裝相關(guān)圖片信息，可以發(fā)現(xiàn)，為加強整個結(jié)構(gòu)的剛度和整體型，在CR10底部、上部和頂部都增加了交叉撐，故在計算模型中也同樣考慮在模型中也增設相應的支撐，為統(tǒng)一截面形式，采用和已有支撐相同的截面：TN124×124×5×8。

在增加支撐后，整體計算模型如圖4所示。

整體計算結(jié)束后，最大拉應力和最大壓應力分別出現(xiàn)在兩個桿件中，見表3。

最大壓應力僅為174.144 N/mm2，即未超出桿件的承載力，整個結(jié)構(gòu)均在彈性范圍內(nèi)變化。最大水平相對位移出現(xiàn)在954號桿件上，僅為6.35 mm，見表4。

表1　桿件應力表T able1　Stress of members

表2　桿件位移表T able 2　Displacement of members

表3　桿件應力表T able 3　Stress of members

表4　桿件位移表T able 4　Displacement of members

圖4　支撐增加后計算模型簡圖Fig.4　Integral lifting model of CR10 after reinforcement

從上計算結(jié)果可以看出，CR10增加交叉支撐、整體結(jié)構(gòu)加固后，桿件應力與相對位移均大幅下降，最大值降到合理范圍之內(nèi)，滿足強度和就位偏差要求，可見，通過增加一些支撐桿件，可以滿足CR10的整體吊裝要求。

3　 CR10模塊整體吊裝方案

3.1可行性分析

CR10加鋼筋組件總吊裝荷載499.43 t，根據(jù)海陽核電站一期1、2號核島底封頭成功吊裝經(jīng)驗，3 200 t吊車可行駛至CV中心最近距離42 m，通過分析3 200 t吊車工況性能表，可以確定3 200 t吊車在此施工條件下具備吊裝CR10組件能力，可以整體吊裝。

3.23 200 t吊裝工況選擇

選用CC8800-1 TWIN （3 200 t） 吊車進行模塊的吊裝作業(yè)，可以選擇與核島CV底封頭吊裝相同的SSL工況，吊車基本配置如下：

1）超起小車回轉(zhuǎn)半徑為32.25 m，吊車主臂寬3.2 m；

2）主臂轉(zhuǎn)動中心至吊車旋轉(zhuǎn)中心距離1.2 m；

3）吊車回轉(zhuǎn)中心點距地面垂直距離為5.8m，配重1 260 t。

3.3CR10整體吊裝路徑分析

CR10模塊起吊時吊車站位點及CR10預定拼裝場地點如圖5所示。吊裝時，先用3200 t將CR10模塊吊起高度14.5 m，吊至指定高度后，再將CR10拼裝場地將模塊旋轉(zhuǎn)至CV圓心方向。

待吊車將CR10模塊旋轉(zhuǎn)至CV圓心方向時，吊車向CV圓心方向負載行走10 m，達到預計就位坐標，精確就位。

吊裝過程中，超起小車均在吊裝場地內(nèi)行走，CR10模塊與吊車最小水平安全距離8.5 m，與CA20最小豎直安全距離2.5 m，與邊坡最小距離4.1 m，吊裝前需要提前協(xié)調(diào)1、2號塔吊，避免影響吊裝。

4　 結(jié)束語

相對于反應堆廠房基礎施工完成后再進行CR10分片組裝、分片吊裝、整體焊接成形的施工方式，采用大吊車進行CR10整體吊裝就位，可以實現(xiàn)反應堆廠房基礎與CR10組裝并行施工的條件，有效縮短核島建設周期，從而降低整個機組的建造成本。經(jīng)過上述的整體計算分析，可以看出，AP1000國產(chǎn)化后續(xù)項目中的CR10支架結(jié)構(gòu)按照現(xiàn)有的設計無法滿足整體吊裝的要求，但如果增加一些交叉斜撐等加固措施后，完全可以滿足整體吊裝受力和變形，結(jié)合海陽核電一期項目大件吊裝的成功經(jīng)驗，CR10整體吊裝已具備良好的理論和現(xiàn)實條件。但在實施過程中應注意以下問題：

（1）吊裝荷載偏心問題

CR10整個結(jié)構(gòu)為非雙軸對稱結(jié)構(gòu)，存在一定偏心，吊索設計前尚需找出偏心量，通過調(diào)整各吊索長度保證CR10模塊在吊裝過程中將偏斜量控制在可吊裝范圍。

（2）CR10臨時拼裝場地協(xié)調(diào)

CR10屬于桁架結(jié)構(gòu)，整體剛度偏弱，模塊拼裝場地盡量應與吊裝場地一致，保證其處于3200 t吊裝范圍內(nèi)，以避免CR10組裝完成后的整體運輸。

圖5　吊車起吊站位點布置圖Fig.5　Arrangement of lift crane stand point

［1］ 建筑施工手冊第四版［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.（Building Construction Manual （Version 4） ［M］. Beijing： China Architecture & Building Press. ）

［2］ GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］ 中華人民共和國國家標準.（GB 50009-2012， Load Code for the Design of Building Structures［S］. National Standards of the People's Republic of China. ）

［3］ 馬新朝，王玉萍.核電工程穹頂?shù)跹b施工節(jié)點提前對后續(xù)施工的影響［J］.中國核電，2012，5（1）：24-28. MA Xin-chao， MA Xin-chao WANG Yu-ping. The Influence of Dome Lifting Work Ahead of Schedule on the Follow-up Construction of Nuclear Power Plant ［J］. China Nuclear Power，2012， 5（1）：24-28. ）

［4］ 鄭建祥，邱國志，魯曉軍，等.AP1000鋼制安全殼封頭模塊吊裝方法研究［J］.施工技術(shù)，2013，42（21）：24-28.（ZHEN Jian-xiang， QIU Guo-zhi， LU Xiao-jun， et. al. Study on the Modular Lifting Method for AP1000 Steel Containment Dome［J］. Construction Technology， 2013， 42（21）： 24-28. ）

［5］ 鄒偉.A P 1 0 0 0模塊化施工分析［J］.中國核電，2014，7（1）：42-46.（ZOU Wei. Analysis for AP1000 Modular Construction ［J］. China Nuclear Power， 2014， 7（1）：42-46. ）

The Integral Hoisting of CR10 in AP1000 Nuclear Power Project

LI Bing-ying， ZUO Xue-bing， ZHANG Ming， LUO Zheng-gen， LIU Xiao
（State Nuclear Power Engineering Company，Haiyang of Shandong Prov. 265116，China）

In the construction of Sanmen and Haiyang AP1000 NPP Phase I， CR10 was fabricated and lifted piece by piece and then welded into a integrated system. It is based on the design drawings of Haiyang NPP Phase II and the construction experience of American AP1000 project to study the feasibility of integral hoisting of CR10， include the stress and strain calculation using the STAAD program. It found that after some reinforcements， CR10 can be installed by integral hoisting. Some related construction scheme are also proposed.

CR10； integral hoisting； STAAD； construction scheme

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617（2016）02-0145-06

TM623

A

1674-1617（2016）02-0145-06

2016-04-25

李炳穎（1983—），男，山東成武人，工程師，碩士研究生，主要從事核島土建設計管理工作。