示范快堆鋼拱頂焊接拼裝變形質(zhì)量控制研究

鄭德卓,呂 琛,張學(xué)武,史貴海

(中核霞浦核電有限公司,福建 寧德 355100)

1 拱頂鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工工藝

1.1 拱頂鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

示范快堆反應(yīng)堆廠房鋼拱頂鋼結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為SC，抗震類別為Ⅰ類，質(zhì)保等級(jí)QA1，拱頂鋼結(jié)構(gòu)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(cè)鋪設(shè)10 mm鋼板焊接而成的內(nèi)徑29 464.5 mm的單曲面拱形殼體結(jié)構(gòu)。其安全等級(jí)為SC，質(zhì)保等級(jí)為QA1級(jí)。

整個(gè)拱頂鋼結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)65.5 m、跨度43.3 m，整體高度11.61 m，共分為GB1、GB2、GB3三個(gè)主模塊和兩個(gè)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(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)重量約為271 t，本文主要針對(duì)GB1模塊拼裝過程中出現(xiàn)的變形超差的質(zhì)量控制問題進(jìn)行討論研究。

圖1 反應(yīng)堆廠房拱頂鋼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic of the arch steel structure of the reactor building

1.2 拱頂鋼結(jié)構(gòu)拼裝工藝

為保證拱頂鋼結(jié)構(gòu)整體尺寸符合設(shè)計(jì)要求，按照方案預(yù)先在拼裝場(chǎng)地主梁支腿處設(shè)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(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

根據(jù)拱頂鋼結(jié)構(gòu)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(jìn)行焊接連接。每根主梁(ZL)凈跨度為43.3 m，按照規(guī)劃在預(yù)制車間分5段制作后，倒運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝成主梁整體,每?jī)筛鵝L之間的CL1、CL2以及10 mm鋼板在車間分成5個(gè)子單元，GB1模塊20個(gè)子單元及25塊10 mm鋼板預(yù)制后，倒運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)與主梁拼裝成整體。

1.3 拱頂鋼結(jié)構(gòu)拼裝焊接反變形措施

拼裝焊接時(shí)根據(jù)焊接方法、母材材質(zhì)以及焊接部位的不同，選用正確的焊接工藝參數(shù)。翼緣板與腹板焊接時(shí)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行焊接，H型鋼上下翼緣及腹板拼接時(shí)，為減小焊接變形，可根據(jù)實(shí)際情況預(yù)留一定的反變形以保證焊接質(zhì)量。

H型鋼主梁分段拼接時(shí)，合理安排H型鋼翻身操作，拼裝焊接按照以下步驟進(jìn)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(shí)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(jìn)行腹板的焊接，焊接時(shí)合理分段，以減小焊接變形；焊接過程中，密切關(guān)注H型鋼的焊接變形量及方向，每道焊縫焊接完成后，應(yīng)對(duì)H型鋼的整體變形進(jìn)行查看，必要時(shí)，根據(jù)變形情況要對(duì)焊接順序重新進(jìn)行調(diào)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(shí)因?yàn)楹附雍椭亓繉?duì)主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

為保證拱頂鋼結(jié)構(gòu)整體尺寸符合設(shè)計(jì)要求，按照方案預(yù)先在拼裝場(chǎng)地主梁支腿處設(shè)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(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

1.4 拱頂鋼結(jié)構(gòu)拼裝后變形概況

反應(yīng)堆廠房拱頂鋼結(jié)構(gòu)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(cè)向中間逐步拆除拱頂內(nèi)側(cè)支撐主梁的塔架及四管柱，全部四管柱支撐拆除后，發(fā)現(xiàn)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(biāo)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(jié)構(gòu)GB1模塊尺寸偏差數(shù)據(jù)

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(jié)構(gòu)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(xiàn)有尺寸已無(wú)法滿足拱頂?shù)跹b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(jié)構(gòu)拼裝后變形分析

針對(duì)鋼拱頂變形情況，結(jié)合拱形鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進(jìn)行變形分析，將拱頂鋼結(jié)構(gòu)認(rèn)為兩鉸拱，根據(jù)《拱形鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)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(jì)算公式[1]：

NH=k1k2N0

(1)

拱的內(nèi)力計(jì)算示意圖如圖4。

圖4 拱的內(nèi)力計(jì)算示意圖Fig.4 The schematic of the internal force calculation of the arch

式中：k1——拱腳推力調(diào)整系數(shù);

k2——與截面剛度相關(guān)的折減系數(shù);

N0——拱腳推力基準(zhǔn)值(N)。

其中：與截面剛度相關(guān)的折減系數(shù):

(2)

當(dāng)承受全跨或半跨水平均布荷載q時(shí)，拱腳推力基準(zhǔn)值：

(3)

根據(jù)拱頂鋼結(jié)構(gòu)GB1模塊設(shè)計(jì)圖紙知：

主梁1(7軸側(cè))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(cè))荷載：拱梁自重+半跨子單元自重,q3=955 kg/m，

帶入NH=k1k2N0公式，計(jì)算得：

即主梁 1(5 軸山墻側(cè))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(cè))支腿受到的水平分力為185.23 kN。由于設(shè)計(jì)人員在拱形鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮拱形結(jié)構(gòu)的外推力作用, 沒有采取有效措施預(yù)防措施，使得拱頂鋼結(jié)構(gòu)在自重水平分力作用下，拱頂主梁支腿存在外張的趨勢(shì)。

3 拱頂鋼結(jié)構(gòu)變形矯正

3.1 拱頂鋼結(jié)構(gòu)變形矯正方案分析

由設(shè)計(jì)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(wú)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(jīng)過討論論證及有限元建模分析，若想將拱頂鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主梁支腿東西兩側(cè)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(fù)至可接受范圍內(nèi)；

2)在拱頂鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)采用拉索將主梁支腿鎖緊，使其跨度不再發(fā)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(chǔ)預(yù)埋件上焊接單V型限位裝置；

2)使用拱頂鋼結(jié)構(gòu)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(shí)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(nèi)側(cè)使用拉索將兩個(gè)支腿拉緊，經(jīng)計(jì)算拉索最大受力為38 t，使其跨度不再發(fā)生變化，拆除一側(cè)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(yōu)點(diǎn)：①采用大吊車提升能盡可能恢復(fù)其設(shè)計(jì)尺寸，回位時(shí)使用V型限位裝置限制跨度擴(kuò)張，對(duì)拱頂鋼結(jié)構(gòu)本體損傷降至最小，充分利用結(jié)構(gòu)彈性變形特性；②變形矯正簡(jiǎn)便，無(wú)需過多人力參與落回限位后只做簡(jiǎn)單調(diào)整即可；③調(diào)整耗時(shí)較短，有利于保證現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。

經(jīng)過業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工等多方專業(yè)人員推演討論，最終一致同意采用方案二作為拱頂鋼結(jié)構(gòu)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(tái)搭設(shè)→V型限位及拉索吊耳焊接→吊索具掛設(shè)→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(jié)構(gòu)變形檢查

拱頂鋼結(jié)構(gòu)矯正前對(duì)每榀主梁跨度、標(biāo)高及支腿的垂直度進(jìn)行檢查，跨度及頂部標(biāo)高與設(shè)計(jì)偏差情況檢查數(shù)據(jù)見表1，支腿垂直度與設(shè)計(jì)偏差值檢查記錄見表2[2]。

表2 拱頂鋼結(jié)構(gòu)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(gè)主梁支腿外側(cè)焊接固定限位板，防止跨度偏差繼續(xù)增大，并在確定校正方法并現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施前將其拆除。

3.4 V型限位及內(nèi)側(cè)拉索連接板安裝

GB1模塊矯正前，應(yīng)在拼裝預(yù)埋件上放出V型限位裝置的基準(zhǔn)線，確保每側(cè)的5個(gè)限位裝置在同一軸線上。根據(jù)定位軸線在預(yù)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?shù)墓潭ā型限位高488 mm，斜向角度為18.62°、單側(cè)傾斜距離為150 mm，由固定部分與活動(dòng)部分組成，活動(dòng)部分為30 mm厚V型板。

圖6 V型限位裝置示意圖

根據(jù)反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)250/5 t-41.8 m 主行吊頂部標(biāo)高(+63.6 m)，確定拱頂GB1模塊主梁內(nèi)側(cè)吊耳及拉索設(shè)置標(biāo)高為+64.2 m，計(jì)算出矯正方案中設(shè)定在距離拱頂主梁支腿3.0 m標(biāo)高處內(nèi)側(cè)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(shè)置10組。

圖7 拉索連接板示意圖

3.5 V型限位焊縫復(fù)核

V型限位與預(yù)埋件通過焊接連接成整體共同承擔(dān)校正過程中的力，其焊縫長(zhǎng)度為l=500 mm，焊縫高度為hf=10 mm，焊縫計(jì)算長(zhǎng)度為lw=500-2×10=480 mm，焊縫有效高度he=7 mm，焊縫數(shù)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(yīng)力為：

焊縫的側(cè)向剪應(yīng)力為：

彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用下，焊縫組合應(yīng)力為：

=125.6 MPa<160 MPa

所以V型限位與預(yù)埋件連接焊縫強(qiáng)度滿足施工需求。

3.6 拱形鋼結(jié)構(gòu)GB1模塊變形矯正

在正式起吊前對(duì)GB1模塊進(jìn)行試吊，吊索具掛設(shè)完成后，將每根主梁支腿外側(cè)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(jí)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(chǔ)后，使用卷尺測(cè)量10根支腿之間的高度差，如高度差>200 mm，按吊裝方案進(jìn)行調(diào)平,調(diào)平后使用激光測(cè)距儀(或盤尺)對(duì)每根主梁跨度進(jìn)行測(cè)量。

限位裝置及連接板安裝完成后，按正式吊裝條件對(duì)GB1模塊進(jìn)行吊索具掛設(shè)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(gè)支腿全部落入V型限位板內(nèi)側(cè)，在緩慢下落過程中觀測(cè)每根主梁的兩個(gè)支腿外側(cè)與V型限位板上翼緣的距離，如出現(xiàn)左右距離不一致的情況，在距離較小一側(cè)增加千斤頂進(jìn)行頂推，保證左右兩側(cè)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(wú)法繼續(xù)下落，使用50 t千斤頂將兩側(cè)支腿同時(shí)向內(nèi)側(cè)頂推，使其繼續(xù)下落，頂推過程中在東側(cè)每個(gè)支腿位置安排人員進(jìn)行觀察，如出現(xiàn)支腿變形或固定工裝移動(dòng)等意外情況應(yīng)立即通知停止頂推；如依然無(wú)法將主梁支腿跨度頂推至設(shè)計(jì)值(43.3 m)，先取掉其中一側(cè)的5個(gè)可拆卸V型板，無(wú)法就位情況下再繼續(xù)取掉另一側(cè)的5個(gè)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(nèi)基礎(chǔ)預(yù)埋件上后，利用在每榀主梁支腿內(nèi)側(cè)焊接的兩個(gè)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(nèi)拉緊，連接完成示意圖見圖9。

使用每根主梁兩側(cè)的千斤頂同時(shí)向內(nèi)側(cè)頂推，至主梁與V型限位板之間出現(xiàn)縫隙，然后取下端部的可拆限位板。

可拆限位板取下后，應(yīng)逐步減小千斤頂頂推力，同時(shí)觀察主梁支腿跨度是否有恢復(fù)外張情況，如有跨度恢復(fù)情況，則應(yīng)停止千斤頂卸力，繼續(xù)緊固內(nèi)側(cè)花籃螺絲，直至跨度不再外張。

3.7 矯正過程的重難點(diǎn)

GB1模塊變形矯正過程中，需根據(jù)有限元建模分析軟件計(jì)算的拉索受力情況進(jìn)行調(diào)整，通過液壓數(shù)顯千斤頂配合可調(diào)套筒旋緊(見圖10)，及拉索本身設(shè)置的預(yù)緊應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備(見圖11)，對(duì)每榀主梁拉索實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行檢查監(jiān)測(cè)，由于每榀主梁跨度變形值不一致(見表1)，則模塊變形調(diào)整時(shí)每根拉索所受拉力值也不一致。

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

圖11 預(yù)緊應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備Fig.11 The pre-tightening stress monitoring equipment

為防止拱形鋼結(jié)構(gòu)模塊因局部受力過大產(chǎn)生扭曲及主梁支腿底面翹曲的情況，經(jīng)討論分析決定首先對(duì)跨度變形較大的主梁跨度進(jìn)行針對(duì)性矯正，使其與其他主梁跨度變形值接近一致，進(jìn)而在通過液壓數(shù)顯千斤頂及應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備雙重措施的作用下分階段、循序漸進(jìn)的對(duì)5榀主梁跨度變形情況依次進(jìn)行調(diào)整矯正。從而保證模塊矯正結(jié)果與建模軟件計(jì)算結(jié)果相一致，使變形矯正后的拱形鋼結(jié)構(gòu)主梁支腿產(chǎn)生接近微微內(nèi)趨且穩(wěn)定的狀態(tài)。

這樣通過在每根主梁內(nèi)側(cè)使用拉索將對(duì)應(yīng)的兩個(gè)支腿向內(nèi)拉緊的方法，使每一對(duì)主梁支腿在同時(shí)受到內(nèi)側(cè)拉索向內(nèi)拉力和外側(cè)因自重產(chǎn)生水平分力共同作用下處于受力平衡狀態(tài)，使其跨度不再發(fā)生變化，從而使得鋼拱頂?shù)恼w幾何尺寸能夠符合設(shè)計(jì)要求。

3.8 矯正后尺寸檢查

校正工作結(jié)束后，再次對(duì)整個(gè)GB1模塊整體尺寸進(jìn)行全面檢查，檢查項(xiàng)目包括每根主梁的跨度及頂部標(biāo)高、每根主梁支腿的垂直度、單側(cè)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(shù)據(jù)見表3。

表3 拱頂鋼結(jié)構(gòu)GB1模塊矯正后數(shù)據(jù)

通過該變形糾差工藝調(diào)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(biāo)高偏差分別減少了70.2 mm、75.5 mm、81.1 mm、82.6 mm、107.9 mm。調(diào)整后的拱頂跨度滿足牛腿上方就位空間要求，取得預(yù)期效果。

4 結(jié)論

本文介紹了核電廠反應(yīng)堆廠房拱形鋼結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的變形情況，通過對(duì)拱頂鋼結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力狀況進(jìn)行充分分析，找出鋼拱頂拼裝完成后產(chǎn)生的變形原因，并針對(duì)變形原因進(jìn)行詳細(xì)研究和驗(yàn)證后制定出一套科學(xué)合理的糾差工藝，取得了預(yù)期效果，為示范快堆項(xiàng)目鋼拱頂順利吊裝提供有力保障。為今后的拱形鋼結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)、施工、糾差等方面優(yōu)化工藝以供借鑒。