示范快堆鋼拱頂焊接拼裝變形質量控制研究

鄭德卓,呂 琛,張學武,史貴海

(中核霞浦核電有限公司,福建 寧德 355100)

1 拱頂鋼結構結構特點及施工工藝

1.1 拱頂鋼結構結構特點

示范快堆反應堆廠房鋼拱頂鋼結構安全等級為SC，抗震類別為Ⅰ類，質保等級QA1，拱頂鋼結構主要由WH1200 mm×500 mm的拱形焊接H型鋼主梁、HM500 mm×300 mm、HM200 mm×200 mm次梁組成的骨架及外側鋪設10 mm鋼板焊接而成的內徑29 464.5 mm的單曲面拱形殼體結構。其安全等級為SC，質保等級為QA1級。

整個拱頂鋼結構全長65.5 m、跨度43.3 m，整體高度11.61 m，共分為GB1、GB2、GB3三個主模塊和兩個GB4連接模塊，總重約786 t，見圖1。采用車間分段(主梁)、分塊(面板)預制、現場分塊拼裝，整體吊裝的施工方法。其中GB1模塊整體尺寸為43.3 m×21.92 m×11.61 m，結構重量約為271 t，本文主要針對GB1模塊拼裝過程中出現的變形超差的質量控制問題進行討論研究。

圖1 反應堆廠房拱頂鋼結構示意圖Fig.1 The schematic of the arch steel structure of the reactor building

1.2 拱頂鋼結構拼裝工藝

為保證拱頂鋼結構整體尺寸符合設計要求，按照方案預先在拼裝場地主梁支腿處設置限位工裝，確保拼裝過程中跨度、高度及跨中垂直度滿足設計及規范要求。

根據拱頂鋼結構形式，GB1模塊包括5根焊接H型鋼主梁(ZL)，主梁之間通過次梁(CL1、CL2)及10 mm覆面鋼板進行焊接連接。每根主梁(ZL)凈跨度為43.3 m，按照規劃在預制車間分5段制作后，倒運至現場拼裝成主梁整體,每兩根ZL之間的CL1、CL2以及10 mm鋼板在車間分成5個子單元，GB1模塊20個子單元及25塊10 mm鋼板預制后，倒運至現場與主梁拼裝成整體。

1.3 拱頂鋼結構拼裝焊接反變形措施

拼裝焊接時根據焊接方法、母材材質以及焊接部位的不同，選用正確的焊接工藝參數。翼緣板與腹板焊接時采用二氧化碳氣體保護焊進行焊接，H型鋼上下翼緣及腹板拼接時，為減小焊接變形，可根據實際情況預留一定的反變形以保證焊接質量。

H型鋼主梁分段拼接時，合理安排H型鋼翻身操作，拼裝焊接按照以下步驟進行：1)先焊接翼緣板大坡口面，焊接1～2道，然后焊接小坡口面，焊接時可以直接焊滿，只留蓋面焊縫不焊，將大坡口面焊接完成后，再完成小坡口面蓋面焊接；2)翼緣板焊接完成后進行腹板的焊接，焊接時合理分段，以減小焊接變形；焊接過程中，密切關注H型鋼的焊接變形量及方向，每道焊縫焊接完成后，應對H型鋼的整體變形進行查看，必要時，根據變形情況要對焊接順序重新進行調整；3)H型主梁主焊縫焊接完成后開始安裝、焊接加勁板，防止子模塊安裝時因為焊接和重量對主梁結構產生影響。

為保證拱頂鋼結構整體尺寸符合設計要求，按照方案預先在拼裝場地主梁支腿處設置限位工裝，確保拼裝過程中跨度、高度及跨中垂直度滿足設計及規范要求。

1.4 拱頂鋼結構拼裝后變形概況

反應堆廠房拱頂鋼結構GB1模塊按方案拼裝完成后，依次將每根主梁支腿處限位工裝解除，然后從兩側向中間逐步拆除拱頂內側支撐主梁的塔架及四管柱，全部四管柱支撐拆除后，發現在拱頂在自重作用及焊接變形的影響下每根主梁支腿處存在較大外張變形：主梁跨度最大外張+190.7 mm，最大頂部標高偏差-149.9 mm(具體每根主梁尺寸偏差見表1)；拱頂GB1模塊變形示意圖見圖2、圖3。

表1 拱頂鋼結構GB1模塊尺寸偏差數據

圖2 拱頂鋼模板GB1模塊變形示意圖Fig.2 The deformation schematic of the GB1 module of the arch steel structure

圖3 拱頂鋼結構GB1模塊變形示意圖Fig.3 The deformation schematic of the GB1 module of the arch steel structure

因GB1模塊在+61.2 m牛腿上方最大就位空間僅180 mm，主梁最大變形量已超出就位空間距離，現有尺寸已無法滿足拱頂吊裝就位要求。因此需在GB1模塊吊裝前將拱頂變形校正，確保能夠順利就位。

2 拱頂鋼結構拼裝后變形分析

針對鋼拱頂變形情況，結合拱形鋼結構規范進行變形分析，將拱頂鋼結構認為兩鉸拱，根據《拱形鋼結構技術規程》(JGJ/T 249—2011)，拱頂自重作用下的等截面兩鉸拱，其拱腳推力計算公式[1]：

NH=k1k2N0

(1)

拱的內力計算示意圖如圖4。

圖4 拱的內力計算示意圖Fig.4 The schematic of the internal force calculation of the arch

式中：k1——拱腳推力調整系數;

k2——與截面剛度相關的折減系數;

N0——拱腳推力基準值(N)。

其中：與截面剛度相關的折減系數:

(2)

當承受全跨或半跨水平均布荷載q時，拱腳推力基準值：

(3)

根據拱頂鋼結構GB1模塊設計圖紙知：

主梁1(7軸側)荷載：拱梁自重+半跨子單元自重+懸挑部分自重,q1=1 091 kg/m；

主梁 2～4 荷載：每根拱梁要按其自重+每跨子單元自重,q2=1 407 kg/m；

主梁 5(5 軸側)荷載：拱梁自重+半跨子單元自重,q3=955 kg/m，

帶入NH=k1k2N0公式，計算得：

即主梁 1(5 軸山墻側)支腿受到的水平分力為211.6 kN；主梁2～4支腿受到的水平分力為272.89 kN；主梁 5(7 軸山墻側)支腿受到的水平分力為185.23 kN。由于設計人員在拱形鋼結構設計時未考慮拱形結構的外推力作用, 沒有采取有效措施預防措施，使得拱頂鋼結構在自重水平分力作用下，拱頂主梁支腿存在外張的趨勢。

3 拱頂鋼結構變形矯正

3.1 拱頂鋼結構變形矯正方案分析

由設計圖紙可知拱頂GB1模塊最大安裝就位空間僅180 mm，主梁最大變形量已超出就位空間距離，拱頂變形后尺寸已無法滿足拱頂就位要求。因此需在拱頂GB1模塊吊裝前將拱頂變形矯正。

經過討論論證及有限元建模分析，若想將拱頂鋼結構變形矯正至可接受范圍，可采取以下兩種方案：

方案一：

1)拱頂鋼結構主梁支腿東西兩側焊接工裝，一端固定另一端采用千斤頂頂推，將跨度偏差值恢復至可接受范圍內；

2)在拱頂鋼結構內側采用拉索將主梁支腿鎖緊，使其跨度不再發生明顯變化；

3)緩慢逐步拆除頂推千斤頂。

方案二：

1)在拱頂主梁拼裝基礎預埋件上焊接單V型限位裝置；

2)使用拱頂鋼結構正式吊裝用3 200 t吊車和吊索具將 GB1模塊起吊后落入V型限位裝置，同時在支腿處輔助千斤頂頂推，依靠自身重力及推力將主梁跨度擠回原位；

3)在GB1模塊每根主梁內側使用拉索將兩個支腿拉緊，經計算拉索最大受力為38 t，使其跨度不再發生變化，拆除一側頂推千斤頂；

4)再次將 GB1模塊起吊，檢查主梁跨度變化情況，確保能夠滿足就位要求。

方案二較方案一存在以下優點：①采用大吊車提升能盡可能恢復其設計尺寸，回位時使用V型限位裝置限制跨度擴張，對拱頂鋼結構本體損傷降至最小，充分利用結構彈性變形特性；②變形矯正簡便，無需過多人力參與落回限位后只做簡單調整即可；③調整耗時較短，有利于保證現場施工進度。

經過業主、設計、監理、施工等多方專業人員推演討論，最終一致同意采用方案二作為拱頂鋼結構變形矯正處理方案。

3.2 工藝流程

方案二工藝流程：變形檢查→操作平臺搭設→V型限位及拉索吊耳焊接→吊索具掛設→GB1模塊試吊→拉索連接→GB1模塊校正→校正效果檢查→校正后尺寸檢查→正式吊裝就位→拉索拆除。

3.3 拱頂鋼結構變形檢查

拱頂鋼結構矯正前對每榀主梁跨度、標高及支腿的垂直度進行檢查，跨度及頂部標高與設計偏差情況檢查數據見表1，支腿垂直度與設計偏差值檢查記錄見表2[2]。

表2 拱頂鋼結構GB1模塊支腿垂直度檢查記錄

主梁支腿垂直度變形如圖5所示。

圖5 主梁支腿垂直度變形示意圖Fig.5 The schematic of perpendicularity deformation of the main beam leg

GB1模塊變形檢查后，在每個主梁支腿外側焊接固定限位板，防止跨度偏差繼續增大，并在確定校正方法并現場實施前將其拆除。

3.4 V型限位及內側拉索連接板安裝

GB1模塊矯正前，應在拼裝預埋件上放出V型限位裝置的基準線，確保每側的5個限位裝置在同一軸線上。根據定位軸線在預埋件上焊接由35 mm厚板和H488 mm×300 mm、H200 mm×200 mm型鋼組成的V型限位作為矯正用工裝，見圖6，并在限位上方增加橫梁用于頂推千斤頂的固定。V型限位高488 mm，斜向角度為18.62°、單側傾斜距離為150 mm，由固定部分與活動部分組成，活動部分為30 mm厚V型板。

圖6 V型限位裝置示意圖

根據反應堆廠房內250/5 t-41.8 m 主行吊頂部標高(+63.6 m)，確定拱頂GB1模塊主梁內側吊耳及拉索設置標高為+64.2 m，計算出矯正方案中設定在距離拱頂主梁支腿3.0 m標高處內側下翼緣板上焊接拉索連接板及加勁板。每榀GB1模塊主梁兩端各焊接1組，共設置10組。

圖7 拉索連接板示意圖

3.5 V型限位焊縫復核

V型限位與預埋件通過焊接連接成整體共同承擔校正過程中的力，其焊縫長度為l=500 mm，焊縫高度為hf=10 mm，焊縫計算長度為lw=500-2×10=480 mm，焊縫有效高度he=7 mm，焊縫數量4條，焊縫所受的剪力V=273 kN，焊縫所受的彎矩M=133.2 kN·m。

焊縫有效截面的慣性矩：

焊縫的彎曲正應力為：

焊縫的側向剪應力為：

彎曲正應力和剪應力共同作用下，焊縫組合應力為：

=125.6 MPa<160 MPa

所以V型限位與預埋件連接焊縫強度滿足施工需求。

3.6 拱形鋼結構GB1模塊變形矯正

在正式起吊前對GB1模塊進行試吊，吊索具掛設完成后，將每根主梁支腿外側的限位板拆除。然后將防擺拉索按要求擺放到位，試吊過程中，逐級增加鋼絲繩受力、提升吊鉤，并在過程中觀察跨度變化情況。GB1模塊完全吊離拼裝基礎后，使用卷尺測量10根支腿之間的高度差，如高度差>200 mm，按吊裝方案進行調平,調平后使用激光測距儀(或盤尺)對每根主梁跨度進行測量。

限位裝置及連接板安裝完成后，按正式吊裝條件對GB1模塊進行吊索具掛設連接大吊車，將GB1模塊吊裝至斜向限位板上方，開始逐漸落鉤，使10個支腿全部落入V型限位板內側，在緩慢下落過程中觀測每根主梁的兩個支腿外側與V型限位板上翼緣的距離，如出現左右距離不一致的情況，在距離較小一側增加千斤頂進行頂推，保證左右兩側支腿均勻下落。

GB1模塊下落至一定距離后，如依靠自身重力無法繼續下落，使用50 t千斤頂將兩側支腿同時向內側頂推，使其繼續下落，頂推過程中在東側每個支腿位置安排人員進行觀察，如出現支腿變形或固定工裝移動等意外情況應立即通知停止頂推；如依然無法將主梁支腿跨度頂推至設計值(43.3 m)，先取掉其中一側的5個可拆卸V型板，無法就位情況下再繼續取掉另一側的5個可拆卸V型板，見圖8。

圖8 主梁頂推立面示意圖Fig.8 Schematic of the push elevation of the main beam

將 GB1模塊5根主梁完全落位至V型限位內基礎預埋件上后，利用在每榀主梁支腿內側焊接的兩個吊耳，使用 50 t吊帶一端通過 45 t花籃螺絲、另一端通過55 t卸扣與連接板連接，并將花籃螺絲旋擰緊，將主梁支腿向內拉緊，連接完成示意圖見圖9。

使用每根主梁兩側的千斤頂同時向內側頂推，至主梁與V型限位板之間出現縫隙，然后取下端部的可拆限位板。

可拆限位板取下后，應逐步減小千斤頂頂推力，同時觀察主梁支腿跨度是否有恢復外張情況，如有跨度恢復情況，則應停止千斤頂卸力，繼續緊固內側花籃螺絲，直至跨度不再外張。

3.7 矯正過程的重難點

GB1模塊變形矯正過程中，需根據有限元建模分析軟件計算的拉索受力情況進行調整，通過液壓數顯千斤頂配合可調套筒旋緊(見圖10)，及拉索本身設置的預緊應力監測設備(見圖11)，對每榀主梁拉索實際受力狀態進行檢查監測，由于每榀主梁跨度變形值不一致(見表1)，則模塊變形調整時每根拉索所受拉力值也不一致。

圖10 液壓數顯千斤頂裝置Fig.10 The hydraulic digital display Jack device

圖11 預緊應力監測設備Fig.11 The pre-tightening stress monitoring equipment

為防止拱形鋼結構模塊因局部受力過大產生扭曲及主梁支腿底面翹曲的情況，經討論分析決定首先對跨度變形較大的主梁跨度進行針對性矯正，使其與其他主梁跨度變形值接近一致，進而在通過液壓數顯千斤頂及應力監測設備雙重措施的作用下分階段、循序漸進的對5榀主梁跨度變形情況依次進行調整矯正。從而保證模塊矯正結果與建模軟件計算結果相一致，使變形矯正后的拱形鋼結構主梁支腿產生接近微微內趨且穩定的狀態。

這樣通過在每根主梁內側使用拉索將對應的兩個支腿向內拉緊的方法，使每一對主梁支腿在同時受到內側拉索向內拉力和外側因自重產生水平分力共同作用下處于受力平衡狀態，使其跨度不再發生變化，從而使得鋼拱頂的整體幾何尺寸能夠符合設計要求。

3.8 矯正后尺寸檢查

校正工作結束后，再次對整個GB1模塊整體尺寸進行全面檢查，檢查項目包括每根主梁的跨度及頂部標高、每根主梁支腿的垂直度、單側5根主梁支腿之間的軸線偏移、拱頂面的弧度變形、拱頂主梁與次梁之間的焊縫(油漆)等，具體數據見表3。

表3 拱頂鋼結構GB1模塊矯正后數據

通過該變形糾差工藝調整，鋼拱頂5根主梁跨度偏差得到控制，主梁1至主梁5的跨度偏差分別減小了：112.3 mm、98.9 mm、102.5 mm、114.6 mm、93.5 mm，頂部標高偏差分別減少了70.2 mm、75.5 mm、81.1 mm、82.6 mm、107.9 mm。調整后的拱頂跨度滿足牛腿上方就位空間要求，取得預期效果。

4 結論

本文介紹了核電廠反應堆廠房拱形鋼結構的拼裝焊接的焊接工藝，采取的防變形措施以及拼裝后所產生的變形情況，通過對拱頂鋼結構所受內力狀況進行充分分析，找出鋼拱頂拼裝完成后產生的變形原因，并針對變形原因進行詳細研究和驗證后制定出一套科學合理的糾差工藝，取得了預期效果，為示范快堆項目鋼拱頂順利吊裝提供有力保障。為今后的拱形鋼結構從設計、施工、糾差等方面優化工藝以供借鑒。