“華龍一號”外層安全殼穹頂鋼模板優化設計經驗總結

史晨程，李玉民，楊建華，陳 健，張衛國，蔡利建，蔣 迪

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

為抵御商用大飛機的撞擊，“華龍一號”安全殼為雙層結構，其中外層安全殼為鋼筋混凝土結構，外殼穹頂為準扁球形殼體結構，如圖 1所示。

圖1 雙層安全殼剖面圖Fig.1 Double containment section

為提高“華龍一號”的施工安全性，并縮短建設總工期，福清核電6號機組設計了一種可整體吊裝的外殼穹頂施工模板。該模板為永久性不可拆卸模板，由Q345B牌號的鋼板與型鋼加勁肋（H型鋼和角鋼）組成，采用環向與徑向型鋼加勁肋相互交叉布置形式，如圖2所示。鋼板和型鋼加勁肋的用鋼量合計約為355 t，拉桿的用鋼量約為 40 t，合計約395 t，型鋼加勁肋設置于鋼板外側。該模板在現場拼裝完成后整體吊裝至外殼頂部，作為穹頂混凝土澆筑施工模板。

圖2 外殼穹頂鋼模板俯視平面圖Fig.2 Top view of the steel formwork of the outer containment dome

此前，國內外在安全殼穹頂模板吊裝分析[1]、澆筑施工分析[2]、抗飛機撞擊分析[3]等方面已積累了大量研究及實踐經驗，但該設計在以下兩個方面有明顯的突破：

（1） 澆筑厚度大，因現場施工工藝要求，一次澆筑厚度高達1.5 m。

（2） 抗商用大飛機撞擊分析中考慮了鋼模板的貢獻。

1 設計思路及理念

本設計按照以下思路開展：方案調研、計算分析、施工圖設計、現場施工配合。

在方案調研階段考慮了三種結構形式方案：鋼網架（網殼）方案、鋼板混凝土結構方案及鋼襯里方案。根據外層安全殼穹頂施工模板支撐需求，對三種方案進行了調研和對比分析。在綜合考慮施工可行性、技術成熟度及工期要求等因素后，最終選取了鋼襯里方案。

計算分析階段的主要工作：結合結構實際受荷情形和現場混凝土施工澆筑工藝等，進行整體鋼模板的吊裝、混凝土澆筑、抗震、抗大飛機撞擊等計算分析工作，從而調整和優化布置方案。為降低混凝土澆筑荷載及優化穹頂設計，擬將外殼穹頂厚度由1.8 m減至1.5 m。

施工圖設計階段的主要工作：與施工單位交流溝通，確定施工圖的相關構造等要求，包括模板的加工方案、整體吊裝方案、現場安裝方案、澆筑方案等。

現場施工配合階段的主要工作：配合現場完成加工、拼裝、吊裝及澆筑等工作，對施工工程中遇到的難點配合現場進行分析核算，提出可行的解決方法。

2 具體設計方法

外殼穹頂鋼模板支撐體系主要進行吊裝分析、混凝土澆筑階段分析、抗震分析及商用大飛機撞擊分析四部分的內容。此外為實現鋼模板內側檢修的可達性，還增加了穹頂內側檢修維護措施。

2.1 吊裝分析

外殼穹頂鋼模板吊裝分析采用 ANSYS軟件建模計算[4]，共設置16個吊點。吊裝過程中考慮起吊階段和水平轉運階段兩種荷載工況，水平及豎向荷載均按照慣性力考慮。[5]吊裝分析中強度采用靜態計算，并考慮大變形效應，起吊階段的鋼模板的最大變形如圖3所示。穩定性計算采用特征值屈曲分析，起吊階段的最低階屈曲模態如圖 4所示。吊裝階段鋼模板的屈曲荷載系數（第一階屈曲荷載與荷載標準值的比值）及強度安全系數（屈服強度標準值與荷載標準組合下最大應力的比值）匯總于表1。

表1 吊裝階段鋼模板的屈曲荷載系數及強度安全系數Table 1 Buckling load factor and strength safety factor of the steel formwork during the hoisting stage

圖3 起吊階段鋼模板的最大變形Fig.3 Maximum deformation of the steel formwork during the lifting stage

圖4 起吊階段的最低階屈曲模態Fig.4 The lowest buckling mode during the lifting stage

通過吊裝分析發現：外殼穹頂鋼模板在吊裝階段未出現屈服或者屈曲，其強度和穩定性均滿足要求。

此外還根據吊裝分析的計算結果完成了吊耳設計。

2.2 混凝土澆筑階段分析

外殼穹頂厚1.5 m，若一次澆筑，則施工荷載過大，且根據現場施工工藝要求，分層澆筑方案較難實現，故外穹頂混凝土采用分段式澆筑。經過結構初步計算分析，對外殼穹頂的混凝土施工提出了整圈環形分段澆筑的施工順序要求，具體可分為圖5中所示的11個施工環段。

圖5 外穹頂混凝土施工環段分段示意圖Fig.5 Segment diagram of the concrete construction for the outer containment dome

外殼穹頂鋼模板混凝土澆筑階段分析采用ANSYS軟件建模計算。根據混凝土分段澆筑施工順序，在鋼模板結構設計分析中針對11個施工階段分別考慮相應的施工設計荷載。各施工階段強度采用靜態計算，并考慮大變形效應，應力結果如表 2所示；穩定性計算采用特征值屈曲分析、彈性全過程分析和彈塑性全過程分析[6]，結果如表3所示。

表2 各施工階段應力結果Table 2 Stress results of each construction stage MPa

表3 各施工階段鋼模板的穩定系數Table 3 Stability coefficient of the steel formwork during each construction stage

通過混凝土澆筑階段分析發現：鋼模板在混凝土澆筑階段未出現屈服及失穩屈曲，其強度和穩定性均滿足要求。

此外，由于分段施工澆筑的原因，在施工縫附近設置了H型鋼拉桿，從而保證已達到設計強度的混凝土能夠與鋼模板協同受力。經核算，拉桿設計滿足要求。

2.3 抗震分析

抗震分析采用 ANSYS軟件建模，計算采用反應譜分析法。計算在整體計算模型（外層安全殼和防護廠房整體模型）中進行，模型如圖6所示。計算中鋼模板不作為結構構件參與受力，僅將其作為附加質量進行考慮。實際抗震工況下，鋼模板可以與鋼筋混凝土部分協同受力，模型中的考慮偏于安全。且因鋼模板的截面高度遠小于鋼筋混凝土部分，模型與實際偏差不大。抗震分析結果表明，在穹頂厚度減為1.5 m后，穹頂內側減少一層配筋后的實際配筋量滿足計算配筋量的要求。結合抗震分析結果，經過設計優化，內層配筋可減少一層。

圖6 抗震分析整體計算模型Fig.6 Overall calculation model of the seismic analysis

2.4 商用大飛機撞擊分析

商用大飛機撞擊分析采用有限元軟件LS-DYNA模擬，模型中穹頂厚度為1.5 m，且內層配筋為單層雙向，外殼穹頂由鋼模板和鋼筋混凝土組成疊合的組合結構，外殼模型如圖 7所示。

圖7 帶鋼模板的外殼模型Fig.7 Outer concrete containment model with steel formwork

商用大飛機撞擊分析采用商用大飛機三維有限元模型進行加載，撞擊位置選取牛腿位置、穹頂根部、穹頂半跨的中心、穹頂頂部四個撞擊位置，如圖8所示。

圖8 商用大飛機撞擊位置Fig.8 Impact location of commercial aircraft

商用大飛機撞擊分析結果表明：撞擊區域背面混凝土有局部剝落，但沒有形成貫通的損傷裂縫，內側主筋及鋼模板均未達到失效應變，外殼穹頂仍然具有完整性。可見，帶鋼模板的APC殼能夠抵御設計準則中給定的商用大飛機的撞擊。

3 優化及創新

“華龍一號”外層安全殼穹頂鋼模板優化設計具有以下創新點：

（1） 外殼穹頂采用整體吊裝的鋼模板作為混凝土施工用模板，避免了腳手架搭拆、模板轉運及支設作業，提高了施工安全性，可以提前7.5個月具備安全殼打壓試驗條件。

（2） 對大跨度（53 m）帶肋扁球殼鋼結構進行了考慮大體積混凝土（厚度為1.5 m）澆筑的施工全過程模擬分析，包括特征值屈曲分析、彈性全過程分析和彈塑性全過程分析等，從強度到穩定性方面確保了結構整體安全可靠性。

（3） 根據外殼鋼穹頂結構特點進行了多種大體積混凝土澆筑方案的對比分析，提出了最優的分段對稱澆筑的施工順序要求，從重量、結構構件選型和布置等方面優化了鋼模板設計方案。

（4） 首次進行了鋼模板與混凝土疊合扁球殼組合結構的抗商用大飛機撞擊分析，在保證撞擊作用下鋼模板安全可靠的同時，合理考慮鋼模板的貢獻，減小了外穹頂厚度和配筋量。

4 結論

4.1 后續發展建議

考慮進一步優化設計方案，以節約鋼筋用量。比如鋼板混凝土結構，既可以作為施工階段的模板，又可以作為永久構件發揮抗震、抗大飛機撞擊的作用，是一種合理的結構形式。

4.2 存在的問題、經驗與建議

結合設計中的經驗教訓，提出以下兩點建議。

（1） 鋼模板在吊裝過程中可能存在氣流漩渦荷載的影響，在混凝土澆筑階段會有應力繼承、環境溫度、混凝土水化熱和干縮變形等影響因素，這些因素可能會對鋼模板的受力情況有一定影響。建議在吊裝及分段施工階段對鋼模板的應力和變形進行監測，加深對鋼模板的受力狀態變化情況的掌握，為后續的穹頂模板設計積累數據和經驗。

（2）建議在方案優化過程中加強與施工方的溝通協調，及時掌握現場要求。