圆弧开合式临时顶盖结构设计

杨欢，冯栋彦，张新雨，赵鑫澎

（南华大学 机械工程学院，湖南 衡阳421001）

0 引 言

压水堆核电机组一般先进行安全壳内部设备的安装，待所有设备安装好后再安装顶封头。内部设备的安装称之为开顶法施工模式，由于工期较长，施工过程中在筒体内部的连续施工作业和已安装设备都需要进行防护。核电站建造时一般在筒体就位后，在其上方安装一个可以开合的临时顶盖，既可进行设备的吊装，也可以对筒体内部施工环境和己安装设备进行有效防护，确保施工周期和施工质量不受影响[1-3]。目前国内临时顶盖通常采用空间桁架结构,安装于核电安全壳筒体上方,其外形与尺寸由筒体外形、尺寸及核电安全壳内部模块尺寸所确定。临时顶盖整体结构设计成回转形式,可实现整体电动回转运动,顶部为门式横向开合或圆弧开合结构，通过开口动作和整体回转，进而实现筒体内部模块的无死角吊装[4]，如图1、图2所示。

工作中，由于开口空间有限，需整体转动配合以达到任一位置吊装的要求，而临时顶盖整体结构庞大（整体直径约40 m，中心最大高度大于10 m，质量超过50 t），因此，转动调节不方便。本文提出圆弧开合式的顶盖设计方案，3级顶盖分布在3个不同的轨道上，相互之间无干扰，可单独控制转动，从而达到减重、控制灵活的目的。

图1 门式横向开合顶盖结构

图2 门式圆弧开合顶盖结构

1 圆弧开合顶盖结构设计

1.1 圆弧开合顶盖结构方案

为保证可以满足大规模和小规模施工的要求，确定将顶盖结构分为3级。3级顶盖分布在3个不同的轨道上，相互之间没有干扰，如图3所示。每一层顶盖都可以单独移动，达到以最小驱动力实现运动的目的。同时在每级顶盖底部与轨道接触部位安装滚珠，利用滚动摩擦力，大大减小了阻力。为保证在雨雪天气可以提供良好的保护效果，结构采用1/4球形。为保证有最大的开合面积，3级顶盖按弧度均匀划分，每级顶盖均为1/3，为保证良好的保护，每级顶盖角度均取130°，呈瓦式结构。因为第二级半径大于第一级，第三级半径大于第二级。故第一级、第二级可完全绕至第三级下面，全部打开。

式中：S为面积；r为半径；n为弧所对圆心角，（°）。

第一级、第二级完全打开时，

式中：A为最大开合面积百分比；S1为可开合最大面积；S2为最大面积。

通过计算得出最大开合面积占总面积的65%以上，进而实现筒体内部模块的无死角吊装。采用用圆弧顶盖来代替原有的钢结构顶盖，减轻了顶盖质量，节约了钢材。同时，整体圆弧结构具有更大的稳定性，在吊装、风载、雪载、地震等恶劣环境中，能提供更好的保护效果。

圆弧顶盖采用绕轴式运动结构，3级顶盖都绕弧顶同一轴旋转，为保证3级顶盖之间互不影响，故将轴做成阶梯状结构，分别安装不同轴承。

图3 3级顶盖效果图

1.2 环境载荷计算

1）风载荷。圆弧顶盖所受风载荷根据设计手册《起重机设计规范》[5]进行计算：

式中：P为计算风压，N/m2；vs为计算风速，m/s。

圆弧顶盖需承受最大8级风的载荷，当风速超过8级时，可将部分辅助装备拆下，以减小圆弧顶盖所受风载。同时，在安装时，应选择合适的季节，尽量选择恶劣天气较少的季节。圆弧顶盖极限风载荷按8级风速计算，计算风速为vs=28.3 m/s，风载荷方向取水平方向。

2）雪载荷。圆弧顶盖所受雪载荷根据设计手册《建筑结构荷载规范》[6]进行计算：

式中：sk为雪荷载标准值，N/m；μr为圆弧顶盖积雪分布系数，因为为圆弧状，故选取μr=0.5；s0为基本雪压，根据手册，基本雪压取400 N/m2。圆弧顶盖所受雪载荷方向取竖直向下。

新设计方案附加载荷取19 600 N进行计算。重力加速度为g=9.81 m/s2。

根据国家能源局核电站建造手册《压水堆核电厂反应堆厂房钢衬里穹顶吊装施工技术规程》[7]，吊装零件离开地面时由于惯性导致载荷增加，根据手册取起升动载荷安全系数K=1.1；因自重较大，在吊装时，圆弧顶盖与附件的自重均应考虑起升动载系数的影响。将风载和雪载简化为平面受力，圆弧顶盖工作与吊装工况下的模型载荷计算结果如表1所示。

表1 圆弧顶盖不同工况下载荷情况

1.3 临时顶盖尺寸

临时顶盖采取圆弧顶盖结构方案，安装在核电厂安全壳的筒体上方，圆弧顶盖的尺寸按筒体外形尺寸进行设计，单级顶盖的开合弧度以最大内部模块尺寸进行设计，确保模块正常吊装。圆弧顶盖整体结构取回转形式，分布在3条不同的轨道上，轨道内安装滚动轴承，以实现各级顶盖均可单独进行一定角度的转动。本文分析中取圆弧顶盖最小直径40 m，中心最大高度20 m。3级顶盖完全开合，最大开合面积占总面积的65%以上。

按照强度理论[8-9]可以得出：

按第一强度理论，σ1≤[σ]3；

按第二强度理论，σ1-ν(σ2+σ3)≤[σ]；

按第三强度理论，σ2-σ3≤[σ]；

式中：σ1、σ2、σ3是材料危险点的3个主应力；[σ]为许用应力；ν为泊松比。因为材料是Q235，故弹性模量E为200～210 GPa；泊松比ν为0.24～0.28。

取安全系数为2，故取许用应力[σ]为100 MPa；载荷p取700 N/m2；D为直径，40 m。代入上式，可得：

式中：δ"为顶盖壁厚；D为直径；ε为最大伸长线应变；取ε"为0.33；弹性模量E为200；泊松比ν为0.25；其他数值同上。

求得顶盖最小壁厚为8 cm，向上取整为10 cm。

1.4 临时顶盖自重

临时顶盖钢结构材料采用碳素结构钢Q235。GB700-88标准中的碳素结构钢Q235[10]按照冶金质量可分为A、B、C、D四个等级，各等级的钢种Si质量分数均为0.3%，区别在于各钢材碳含量和硫、磷含量的不同。A、B级钢材碳质量分数分别为0.14%～0.22%和0.12%～0.20%，C、D级钢材碳质量分数分别为≤0.18%、≤0.17%，A级钢材Mn含量最小，D级钢材S、P含量最小。

通用国标中Q235的密度ρ=7.85 g/cm3。通过前期材料力学初步分析，确定最小厚度为10 cm，根据公式计算球体的体积：

式中：V为球体的体积。

通过计算得到，第一级圆弧顶盖体积为168.34 m3；第二级圆弧顶盖体积为171.7 m3；第三级圆弧顶盖体积为175.23 m3；总体积为515.27 m3。因为采取瓦式结构，所以会有一个小的覆盖，故可大致估算体积为550 m3。

通过公式m=ρV计算其质量如表2所示。

表2 各级顶盖质量 kg

2 圆弧顶盖有限元分析

2.1 圆弧顶盖模型网格划分

对圆弧顶盖进行三维模型有限元分析时，需要重点分析载荷、应力、应变等是否满足设计要求，而对圆弧顶盖结构进行了简化处理。网格划分时，圆弧顶盖结构采用Beaml88单元[11]，吊环等辅助设备忽略不计。因自重较大，圆弧结构在空间上稳定性好，故采用刚性结构对整体设计进行分析。为满足结果的准确性与可靠性，网格不宜划分太大或太小，根据综合考虑以及查阅相关资料，所有网格按300 mm进行划分，并利用软件自动对圆弧网格划分进行优化[12]。临时圆弧顶盖有限元模型网格划分如图4所示。

图4 圆弧顶盖有限元模型网格

图5 雪载有限元分析

2.2 载荷分析

1）雪载验证。对临时圆弧顶盖进行雪载分析，如图5所示。

考虑到圆弧顶盖的结构特性，雪花落在上面会有一个滑落，在底部会有堆积现象，故底部受力要大于顶端受力，类似于塔式结构。因此，雪载对于模型结构稳定性不会产生太大的影响，可以选择人工对积雪进行处理，防止雪势过大对临时圆弧顶盖造成结构上的影响。

2）风载验证。对临时圆弧顶盖进行风载分析，结果如图6所示。

通过分析结果可 以 看出，临时圆弧顶盖在风载作用下，顶端受力最大，因为顶端面积相对较小，受力相对集中，但还在许用受力范围，可以满足临时圆弧顶盖结构稳定性的要求。

综合上述分析，10 cm的厚度完全可以满足临时圆弧顶盖结构稳定性和在风、雪等恶劣天气下的保护要求，该临时顶盖的结构设计是安全合理的，可以满足实际需要。

图6 风载有限元分析

3 结论

本文针对现有核电站建造所用的临时顶盖机构庞大、不便于调整的问题，提出了圆弧开合式的顶盖设计方案，3级顶盖分布在3个不同的轨道上，弧顶通过同一竖轴联接，每级顶盖可以单独转动，以满足设备模块、结构模块及各种部件的吊装要求。对临时顶盖不同工况下的载荷进行计算，基于强度理论确定临时顶盖的厚度、质量等参数，最后通过有限元进行载荷仿真分析，得出10 cm厚度的临时圆弧顶盖完全可以满足载荷要求。