一種基于模塊化建造理念的熱室裝置研究與設(shè)計(jì)
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作者：張毅
1引言
熱室是進(jìn)行高放射性實(shí)驗(yàn)和操作的屏蔽小室，是裝配有設(shè)備、電氣、管道、通風(fēng)等在內(nèi)的完整的獨(dú)立系統(tǒng)。熱室在我國的核技術(shù)領(lǐng)域、高能物理研究領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，常用于燃料元件的檢驗(yàn)、處理，材料的物性、機(jī)械性能和金相測試實(shí)驗(yàn)，同位素分裝，放射化學(xué)實(shí)驗(yàn)等。文中以國內(nèi)某大型物理實(shí)驗(yàn)裝置的熱室殼體及相關(guān)部件設(shè)計(jì)建造為背景，對模塊化建造理念下的熱室設(shè)計(jì)和建造工藝進(jìn)行研究，解決其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與變形控制、吊裝運(yùn)輸、精度控制等問題，為后續(xù)其他類型的熱室設(shè)計(jì)建造提供參考。
2熱室結(jié)構(gòu)分析
2.1熱室的基本結(jié)構(gòu)
熱室主要由熱室殼體、鑄鐵防護(hù)屏、窺視窗、鑄鐵防護(hù)門、密封門及通道、底部轉(zhuǎn)運(yùn)孔、機(jī)械手、穿墻直孔道、預(yù)埋水電氣管道、水平轉(zhuǎn)運(yùn)通道、操作臺(tái)等組成，熱室內(nèi)部設(shè)備根據(jù)其功能布置，結(jié)構(gòu)見圖1。熱室系統(tǒng)包含的部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、與外部的接口甚多，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮每個(gè)細(xì)節(jié)，以保證后續(xù)施工的可行性以及與外部接口的準(zhǔn)確性。
2.2熱室的主要功能
熱室屬于高放實(shí)驗(yàn)室，其墻壁為厚大于1000mm的重混凝土墻，以將y放射性和周圍環(huán)境隔絕。內(nèi)壁常采用不銹鋼覆面，便于沖洗和去污。前墻上裝有鉛玻璃或高密度液體的窺視窗，裝有機(jī)械手可進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。后墻裝有鑄鐵門，必要時(shí)可以進(jìn)入，清洗、安裝和拆卸設(shè)備。頂部裝有燈箱，用于照明，安裝有運(yùn)輸小車，運(yùn)送物品進(jìn)出熱室。由排風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)，保持熱室在負(fù)壓下工作。排出的風(fēng)要通過高效過濾器，除去放射性氣溶膠和塵埃。
2.3 熱室殼體設(shè)計(jì)和建造的主要問題分析
(1)組裝成整體后的殼體結(jié)構(gòu)由于重量和體積大，增加了吊裝運(yùn)輸?shù)碾y度
熱室殼體組裝成整體后體積大，重量大，考慮工程所在地區(qū)的交通運(yùn)輸、安裝位置與組裝位置的距離、吊車資源等實(shí)際情況，為確保各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行，擬對熱室殼體采用分兩段設(shè)計(jì)。
(2)大型殼體結(jié)構(gòu)在吊裝運(yùn)輸以及澆筑混凝土過程中的強(qiáng)度與變形問題
熱室殼體采用型鋼加薄壁不銹鋼板組成。型鋼選用過大，將增加建造成本和殼體本體重量，型鋼選用過小，其強(qiáng)度將得不到保證，因此選用合適的型鋼材料尤為重要。同時(shí)，為防止吊裝運(yùn)輸及澆筑混凝土過程中的變形，還需要采取內(nèi)外部增加支撐的方式防止其變形。
(3)提前加工的孔洞或預(yù)裝部件的精度控制問題
熱室殼體上包含有若干個(gè)與相關(guān)部件接口的孔洞，如機(jī)械手穿墻孔、窺視窗孔等，與這些孔洞接口的部件精度要求較高，因此對殼體上的開孔精度要求也較高。為保證后續(xù)部件的準(zhǔn)確安裝，所有開孔均在殼體拼裝成型后進(jìn)行，且在同一個(gè)測量基準(zhǔn)的控制之下。
(4)殼體裝就位后混凝土的澆筑、電纜管敷設(shè)等后續(xù)工序的可行性問題
熱室殼體現(xiàn)場組裝成整體后的后續(xù)工序包括鋼筋綁扎、穿管安裝、預(yù)埋管安裝等內(nèi)容，存在的問題主要為鋼筋與部件相碰、預(yù)埋管沒有操作空間、混凝土澆筑不密實(shí)等問題。這些問題均會(huì)影響到工程的質(zhì)量，其解決途徑主要是在設(shè)計(jì)階段合理布置穿墻管、預(yù)埋管位置及走向，澆筑時(shí)采用自密實(shí)混凝土等措施。
3熱室殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1熱室殼體主要參數(shù)設(shè)計(jì)
(1)熱室殼體材料
3.2熱室殼體強(qiáng)度設(shè)計(jì)
3.2.1吊裝對熱室殼體強(qiáng)度影響分析
熱室長度為18m，現(xiàn)場整體吊裝難度很大，因此需要將熱室在中間分成兩部分進(jìn)行吊裝，并且在中間斷開部分添加槽鋼進(jìn)行加固，防止在吊裝過程中產(chǎn)生過大的變形。
ANSYS建模時(shí)，建立熱室一半的模型，整個(gè)模型的質(zhì)量為18024.5kg。吊裝繩與模型四個(gè)吊角為450，建模時(shí)槽鋼單元采用BEAM189單元，鋼板采用SHELL63單元。建模單位采用m，力的單位取N，相應(yīng)彈性模量取2.1×1011N/m2，泊松比取0.3。建立的吊裝模型見圖2。
為了更好的模擬吊裝過程，施加合理的邊界約束條件，熱室底部四角錨固，熱室的重力分解，加載到四個(gè)吊角上，施加的力為：F x=40150N, F y=20457N,F z=45061N。加載完邊界條件后熱室受力情況見圖2。
可以從上圖看出變形最大的點(diǎn)在四個(gè)吊角處，其變形值大小為0.264mm，這個(gè)變形量是很微小的，因此這個(gè)變形量可以接受。
3.2.2混凝土澆筑對熱室殼體強(qiáng)度影響分析
由于熱室殼體是個(gè)相對對稱的四方體結(jié)構(gòu)，在分析時(shí)直接分析最薄弱的一邊，也就是最長的一面墻體，主要分析在加載側(cè)壓力后，整個(gè)墻體框架的變形情況，如果變形過大，可以在施工過程在相應(yīng)的地方進(jìn)行加固；另外側(cè)壓力直接作用的鋼板上，可能會(huì)引起鋼板的“鼓包”，這時(shí)還要分析每個(gè)鋼板，得出其變形值，根據(jù)變形大小來確定是否需要將模板框架加密。
( 1)熱室墻體分析
槽鋼單元采用BEAM189單元，鋼板采用SHELL63單元。建模單位采用m，力的單位取N，相應(yīng)彈性模量取2.1×1011N/m2，泊松比取0. 3。實(shí)體化后模型顯示見圖3。
邊界條件按實(shí)際情況添加：最下面槽鋼錨固，兩邊槽鋼限制其Y向�，F(xiàn)場在澆筑混凝土?xí)r會(huì)對每個(gè)槽鋼圍成的單元在中心進(jìn)行加固，防止在澆筑過程中產(chǎn)生過大的變形。
重混凝土密度為3.6t/m3，塌落度為1 20，澆灌前作重混凝土試塊強(qiáng)度試驗(yàn)，并滿足《混凝土輻射屏蔽》EJ/T1144-2004有關(guān)規(guī)定。
新澆筑混凝土對模板側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值：依據(jù)原《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工驗(yàn)收規(guī)范》GB50204-92，附錄中有關(guān)“普通模板及其支架荷載標(biāo)準(zhǔn)值及分項(xiàng)系數(shù)”的取值規(guī)定，按照新澆筑混凝土對模板側(cè)壓力的兩個(gè)計(jì)算公式進(jìn)行復(fù)核，并取二式中的較小值。
考慮現(xiàn)場施工情況，4m高的混凝土需要分四次進(jìn)行澆筑，每次澆筑的高度為1m，按照側(cè)壓力計(jì)算位置至新澆筑混凝土頂面實(shí)際澆筑高度計(jì)算公式，相應(yīng)F=36H=36kN/m2相應(yīng)
得設(shè)計(jì)值為54.4kN/m2；考慮現(xiàn)場混凝土澆筑量比較大，現(xiàn)場澆筑速度不宜過快，取澆筑速度為1m/h，按照施工現(xiàn)場實(shí)際的混凝土澆筑速度計(jì)算公式，F(xiàn)=87.44×
=87.44kN/m2，相
應(yīng)的設(shè)計(jì)值為116.128kN/m2；兩者中取較小值為54.4kN/m2。
施加在鋼板上的側(cè)壓力取54.4kN/m2時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形見圖3�？梢钥闯鲎冃巫畲蟮狞c(diǎn)，其變形值大小為1.422cm，在施工過程中由于還要對
進(jìn)行加固，所以這個(gè)變形值是可以接受的。
(2)對每個(gè)鋼板單元“鼓包”進(jìn)行分析
ANSYS建模時(shí)，槽鋼采用BEAM189單元，鋼板采用SHELL63單元，建立完的，建模單位采用mm，力的單位取N，相應(yīng)彈性模量取2.1x10"N／m2，泊松比取0.3，邊界條件按如下施加：四周槽鋼錨固，最中間的地方施加Z向約束，鋼板施加面力，大小為：54.4kN/m2。加載完面力后分析其受力情況，結(jié)構(gòu)的變形見圖4。
從這兩個(gè)視圖，可以發(fā)現(xiàn)鋼板確實(shí)發(fā)生了“鼓包”現(xiàn)象，其變形最大的地方發(fā)生在鋼板的中心點(diǎn)兩側(cè)，變形值為1.88mm，這個(gè)變形值對于施工過程中是可以接受的。
4熱室的主要建造工藝設(shè)計(jì)
4.1熱室殼體及相關(guān)部件的制作
熱室建造采用模塊化建造方式，即在土建施工開始前進(jìn)行熱室的加工預(yù)制，殼體預(yù)制時(shí)先預(yù)制底板和四面墻體，預(yù)制完后組裝成箱體。由于熱室分兩段建造，兩段在工廠制造完
成后需要進(jìn)行預(yù)組裝，預(yù)組裝并滿足精度要求后在連接處鉆攻定位銷，便于現(xiàn)場組裝。其他部件（如窺視窗外框、機(jī)械手水平管等單獨(dú)加工），運(yùn)抵現(xiàn)場后裝配。所有部件在工廠驗(yàn)收合格后運(yùn)抵現(xiàn)場進(jìn)行安裝。
4.2熱室的安裝工藝
熱室的現(xiàn)場安裝分為兩個(gè)階段：第一階段為熱室殼體及貫穿墻體預(yù)埋件的安裝（本該階段穿插在土建鋼筋綁扎和混凝土澆筑過程中進(jìn)行）；第二階段為熱室內(nèi)部精密設(shè)備部件的安
裝（如機(jī)械手、窺視窗鉛玻璃、拖車等工藝設(shè)備，本階段在熱室殼體覆面板拋光后在內(nèi)部進(jìn)行）。
在施工過程中，應(yīng)首先確保殼體的定位精度（以預(yù)組裝時(shí)選定的基準(zhǔn)線或基準(zhǔn)面為準(zhǔn)，包括安裝方位、拖車通道中心線、窺視窗中心標(biāo)高、殼體側(cè)壁垂直度等），然后逐一安裝各部件，測量控制應(yīng)由合格的測量人員進(jìn)行并記錄相應(yīng)的測量報(bào)告。
4.3熱室吊裝工藝
吊車選型：由于熱室位于工程中心區(qū)域，距離外圍場地較遠(yuǎn)，且熱室殼體每段體積和重量都較大，必須提前考慮吊裝就位問題。熱室就位前應(yīng)將開挖區(qū)域回填并夯實(shí)，滿足大型吊車進(jìn)出和站位要求，確保吊車站位后吊裝半徑在30m以內(nèi)。吊車的具體選型應(yīng)根據(jù)最終施工圖與廠區(qū)布置圖確定。
吊裝原則：施工單位在制定吊裝方案時(shí)應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場整體平面圖規(guī)劃，在確保設(shè)備人員的安全及安裝質(zhì)量的前提下，考慮減少大型吊車在現(xiàn)場站位時(shí)間并充分利用吊車資源，除熱室
殼體外，其他部件盡可能采用土建塔吊進(jìn)行吊裝作業(yè)。
4.4安裝與土建的接口
熱室殼體及其預(yù)埋件的安裝對土建綁筋和澆筑混凝土影響較大，需要和土建密切配合。首先基礎(chǔ)綁筋澆筑時(shí)熱室底部應(yīng)該留出足夠的安裝操作空間，以確保熱室底部部件的安裝和
混凝土能澆實(shí)；其次熱室四周墻體鋼筋綁扎及澆筑應(yīng)分層進(jìn)行，熱室殼體高度范圍內(nèi)至少應(yīng)分三層綁筋澆筑。與熱室殼體底板及左右墻相連的各孔或通道處的鋼筋均應(yīng)等部件就位后方
可綁扎。
5結(jié)論與建議
熱室屬于放射性工作間，涉及的系統(tǒng)部件眾多，設(shè)計(jì)階段考慮各系統(tǒng)部件的合理布置、內(nèi)外部的接口、輻射防護(hù)、制作工藝的安排、安裝工序的設(shè)計(jì)、大型部件的吊裝運(yùn)輸、安
裝與土建的交叉作業(yè)、各部件精度的保證、檢驗(yàn)試驗(yàn)方法等內(nèi)容。通過對某大型物理實(shí)驗(yàn)裝置熱室殼體及相關(guān)部件的研究與設(shè)計(jì)，確定并優(yōu)化了熱室殼體的主要參數(shù)，解決了模塊化建造理念下熱室建造過程中的吊裝運(yùn)輸、精度控制、變形控制、工序銜接等主要問題，確保了某工程熱室裝置的順利建造，也為后續(xù)同類熱室的設(shè)計(jì)建造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，達(dá)到了研究目的。
鑒于我國高能物理研究及核科學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展，后續(xù)將會(huì)有大量的試驗(yàn)研究裝置工程建設(shè)，熱室作為其中重要的組成部分，將會(huì)得到重要的發(fā)展。因此我們可以進(jìn)一步對熱室裝置開展研究，實(shí)現(xiàn)全面的模塊化建造，以減少現(xiàn)場的裝配工作量，提升工程質(zhì)量和進(jìn)度。6摘要：本文以國內(nèi)某大型物理實(shí)驗(yàn)裝置為背景，采用模塊化建造理念，設(shè)計(jì)了靶體檢修用熱室裝置，并通過理論分析方法對熱室殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及建造工藝的可行性進(jìn)行了研究，獲得了模塊化熱室設(shè)計(jì)建造的基本方法與工藝。
