核電廠鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)有限元分析

張福征 陳 陽 郭廣生 張營營

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095； 2.廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000)

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核電廠鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)有限元分析

張福征1陳 陽1郭廣生2張營營2

(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095； 2.廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000)

為了準確反映某核電廠鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)的受力情況，采用MIDAS有限元分析軟件對該鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行了整體建模計算，得出的結(jié)果能為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供準確的信息，從而保障核電廠的安全運行。

鋼筋混凝土箱涵，核電廠，有限元

0 引言

近年來，隨著世界范圍內(nèi)核電技術(shù)的改進特別是第三代核電技術(shù)的發(fā)展運用，單臺機組發(fā)電功率可達100萬kW以上。單臺機組裝機容量增加意味著核島安全用水取水，常規(guī)島系統(tǒng)冷卻用水量增加，循環(huán)水取排水系統(tǒng)是核電工程中的重要建筑物，多采用現(xiàn)澆混凝土箱涵結(jié)構(gòu)。已有研究表明有限元法在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析中具有獨特的優(yōu)勢[1,2]，加之其為地下結(jié)構(gòu)，需綜合考慮地下水作用、管涵內(nèi)部輸水壓力、頂部及四周覆土壓力、施工荷載及重件道路的運輸荷載等，采用有限元分析可以獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、位移等結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息，準確描述結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和裂縫的發(fā)展過程，從而對結(jié)構(gòu)的承載能力和可靠性做出分析評價，為后續(xù)結(jié)構(gòu)計算優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

本文以某核電廠現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)為例，地基反力采用彈性連續(xù)介質(zhì)地基模型，通過MIDAS有限元設(shè)計軟件對鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)的實際受力情況進行分析計算。MIDAS的幾何建模和網(wǎng)格劃分技術(shù)采用了在土木領(lǐng)域中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的前后處理軟件MIDASFX+的核心技術(shù)，同時融入了強大的線性、非線性分析內(nèi)核，是一款專門適用于土木領(lǐng)域的高端非線性分析和細部分析軟件。

1 箱涵概況

本箱涵以我國某核電廠排水箱涵為背景，混凝土標號為C40，底設(shè)0.1m厚C15素混凝土墊層，采用4孔4.2×4.2(H)有壓箱涵，沿水流方向分縫長度為20m，采用全地下結(jié)構(gòu)，計算斷面的頂高程為0m，底高程為-6m，設(shè)計地面標高為10m，即有壓箱涵頂部埋深為10m，運行工作最大內(nèi)水壓力為8m～12m。箱涵結(jié)構(gòu)尺寸：頂板、底板、側(cè)壁、中隔墻厚均為0.9m，箱涵腋角尺寸為0.5m×0.5m，具體形式如圖1所示。

由于現(xiàn)澆混凝土箱涵對地基不均勻沉陷具有良好的適應(yīng)性，而考慮到該核電廠箱涵建造在明挖施工的基巖上，地質(zhì)條件較好，可不考慮地基的不均勻沉降和地基對外墻的變形約束作用，按照自由變形體系計算；同時考慮施工縫的存在，按順水流方向取每分縫長度20m計算，箱涵內(nèi)部角隅部分均設(shè)有加腋，不考慮其對結(jié)構(gòu)的影響，仍按等界面計算。

由于該現(xiàn)澆混凝土箱涵上部存在常規(guī)島大件運輸過路段，除考慮水壓力、土壓力、汽車荷載、施工荷載外，尚需考慮大件運輸荷載，常規(guī)島大件運輸車輛為20軸，2縱(6m)10軸(15m),160車輪平均分布，車輛自重100t，運輸總重量約為600t，每平方米承重7t，因此需考慮大件運輸時循環(huán)水取排水箱涵結(jié)構(gòu)的安全性。考慮平面車輪壓擴散線深度的影響，擴散角按30°考慮，當(dāng)覆土厚度大于輪壓擴散點深度時，平板車荷載在溝道頂板產(chǎn)生的垂直壓力Ph可按下式計算：

其中，P為掛車每個軸壓力；G為掛車總重量；h為覆土深度。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 計算模型

本鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)采用MIDAS有限元分析軟件計算，該軟件可以模擬混凝土三軸拉伸、三軸壓縮、蠕變及塑性變形等狀態(tài)，建立以圖1為依據(jù)的4孔鋼筋混凝土箱涵三維模型，以每分縫長度為依據(jù)整體建模計算。有限元計算時暫未考慮溫度及混凝土收縮，計算工況及荷載組合情況見表1。

表1 箱涵結(jié)構(gòu)計算工況及荷載組合

2.2 計算結(jié)果及分析

由于MIDAS根據(jù)荷載工況組合，可得出數(shù)十種分析結(jié)果，為了更好的反映箱涵極限承載能力下的受力狀態(tài)，選取典型工況組合下的計算成果見圖2～圖5。

通過有限元計算結(jié)果可以直觀的反映箱涵的內(nèi)力情況，根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)在不同工況下的受力情況，為靜力計算提供依據(jù)，對結(jié)構(gòu)進行配筋。由于有限元計算能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行整體性力學(xué)分析，與結(jié)構(gòu)力學(xué)中靜力計算方法相比，更能真實反映實際情況，能夠驗證結(jié)構(gòu)形式和材料強度的合理性，從而分析結(jié)構(gòu)的安全性。

3 結(jié)語

本文采用MIDAS有限元分析軟件對彌散鋼筋的鋼筋混凝土整體式模型進行模擬，較一般靜力計算更能準確、真實的反映結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，因此有限元計算結(jié)果能夠為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供準確信息。

由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有非常復(fù)雜的性質(zhì)，特別是結(jié)構(gòu)受水壓力等反復(fù)加載、卸荷或路面道路突然加載等，類似循環(huán)載荷、動力荷載對模型計算有很高的要求，這將是在今后的工作中的研究重點。

由于該鋼筋混凝土箱涵壁厚較大，接近大體積混凝土限值，因此施工期間的溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)影響較大，如果不能很好的控制混凝土入模溫度、內(nèi)外溫差或養(yǎng)護不利等，都會使混凝土開裂，嚴重的會形成貫通性裂縫，從而對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生極為不利的影響，造成構(gòu)建失去其使用特性，因此溫度應(yīng)力是該類結(jié)構(gòu)計算時必須考慮的問題。

該箱涵結(jié)構(gòu)為地下構(gòu)筑物，同時鑒于該工程的重要性，因此混凝土必須滿足規(guī)范要求，應(yīng)嚴格控制堿含量、氯離子含量等參數(shù)，避免對結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不利影響，這也是今后結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)該重點關(guān)注的問題。

[1]段旻罡.鋼筋混凝土箱涵非線性有限元分析.天津:天津大學(xué),2004.

[1]黃福才,吳換營.ANSYS軟件在現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用.南水北調(diào)與水利科技,2009,7(6):308-311.

Finiteelementanalysisonreinforcedconcreteboxculvertstructureofnuclearpowerplant

ZhangFuzheng1ChenYang1GuoGuangsheng2ZhangYingying2

(1.State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China;2.Langfang Traffic Highway Engineering Corporation 2nd Ltd, Langfang 065000, China)

Inordertoaccuratelyreflecttheforcesituationofanuclearpowerplantreinforcedconcreteboxculvertstructure,thispapermadeoverallmodelingcalculationusingMIDASfiniteelementanalysissoftwaretoreinforcedconcretestructure,thegainedresultscouldprovideaccurateinformationforthestructuraldesign,soastoensurethesafeoperationofnuclearpowerplant.

reinforcedconcreteboxculvert,nuclearpowerplant,finiteelement

1009-6825(2015)21-0029-03

2015-05-11

張福征(1986- )，男，碩士，助理工程師； 陳 陽(1986- )，女，碩士，助理工程師； 郭廣生(1983- )，男，工程師；張營營(1985- )，女，助理工程師

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