ACP1000內層安全殼設備非標預埋件設計

趙金濤 姚 迪 孟 劍

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

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ACP1000內層安全殼設備非標預埋件設計

趙金濤 姚 迪 孟 劍

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

根據工藝提供的設計荷載和形狀參數，按照GB 50010—2010介紹了ACP1000內層安全殼某設備非標預埋件的設計方法，并參照ACI 349—13，對該預埋件進行了受拉及受剪承載力計算，為核電站預埋件設計提供了借鑒。

ACP1000，內層安全殼，預埋件，承載力

0 引言

ACP1000堆型為國內具有自主知識產權的三代核電站。ACP1000反應堆廠房由內部結構、內層安全殼、外層安全殼和整體筏基組成。其中，內層安全殼(即通常所指的安全殼)是包容核蒸汽供應系統(NSSS)的主要物項，是核安全的第三道也是最后一道屏障，也為設備裝置和系統管線等提供支承。設備閘門彈性連接件位于設備閘門處，利用非標預埋件支承于內層安全殼上。本文首先按照GB 50010—2010對非標預埋件進行了設計，然后按照核相關規范ACI 349—13對其承載力進行了驗算。

1 設計參數

設備閘門彈性連接件預埋件支承于內層安全殼外側，位于設備閘門筒節外側，形狀見圖1。

此預埋件為環形，是非標準預埋件，其內半徑為4 032 mm，寬度為150 mm。內層安全殼采用C60混凝土，預埋件錨筋初步確定采用HRB400鋼筋，直徑12 mm。錨板厚度初步定為20 mm。此預埋件為非抗震結構，工藝提供的荷載設計值為軸心拉力620 kN/m2，剪力1 240 kN/mm2。

2 GB 50010—2010設計方法

國內尚無指導預埋件設計的核相關規范，故按照GB 50010—2010對此非標預埋件進行設計。

2.1 錨筋計算

按GB 50010—2010第9.7.2條第1款計算錨筋面積。

(1)

(2)

(3)

其中，V，N分別為預埋件剪力設計值和拉力設計值；αr為錨筋層數影響系數，取1.0；αv為錨筋的受剪承載力系數，按式(2)計算，且應不大于0.7，取為0.7;fy為錨筋抗拉強度設計值，取300 N/mm2；αb為錨板的彎曲變形折減系數，按式(3)計算，且應不大于1，取為1；d為錨筋直徑；fc為混凝土抗壓強度設計值，取27.5 N/mm2；t為錨板厚度。

按式(1)計算得到的錨筋面積為8 488 mm2，沿周圈每2°布置1根錨筋，共180根錨筋，錨筋實際面積為20 340 mm2。錨筋布置見圖2和圖3。

2.2 焊縫設計

焊縫高度構造要求：

hf≤1.2t=1.2×12=14.4mm；

hf≥0.6d=0.6×12=7.2mm。

取焊縫高度為8mm。每根錨筋的焊縫面積：

(12+8×0.7×2)×pi×(8×0.7)=408mm2。

焊縫面積遠大于錨筋面積，不用驗算焊縫。

2.3 構造要求

根據GB50010—2010第9.7節要求，檢查預埋件是否滿足構造要求。

1)錨固長度。

錨筋實際錨固長度為360mm，滿足構造要求。

2)錨筋距錨板邊距。

錨筋距錨板邊緣25mm和45mm，大于2d即24mm，且小于12t即240mm，滿足構造要求。

3)錨筋間距。

錨筋間距150mm，大于45mm，且小于16t即320mm，滿足構造要求。

4)錨筋距混凝土邊距。

錨筋距混凝土邊距等于45mm，滿足構造要求。

5)錨板厚度。

錨板厚度20mm，大于0.6d即7.2mm，且大于b/8即18mm，滿足構造要求。

3 參照ACI 349—13進行錨筋驗算

國標中無預埋件設計的核相關規范，利用GB50010—2010設計的預埋件尚需按照核相關規范ACI349—13規范進行驗算。

3.1 受拉承載力

預埋件的受拉承載力取以下4項中的較小值：錨筋強度、混凝土抗崩裂強度、錨筋的拔出強度、混凝土抗側面爆裂強度。

3.1.1 錨筋強度

根據ACI349—13附錄D.5.1計算：

Nsa=nAse,Nfuta

(4)

其中，n為錨筋數量，取180；Ase,N為單個錨筋截面面積，取0.175in2；futa為美國規范的鋼筋抗拉強度，取78 300psi。

將以上參數代入式(4)，計算結果為2 466 450lb，即10 971kN。

3.1.2 混凝土抗崩裂強度

根據ACI349—13附錄D.5.2計算：

(5)

(6)

(7)

(8)

將以上參數代入式(5)，計算結果為1 042 659lb，即5 528 kN。

3.1.3 錨筋的拔出強度

ACI 349—13附錄D.5.2無直錨筋的抗拔出強度公式。而錨筋的錨固長度是根據鋼筋達到強度前不會拔出的所必須的埋入深度控制的。故只要錨筋錨固長度滿足要求，則鋼筋的拔出強度即大于3.1.1節確定的錨筋強度。

根據ACI 349—13第12.2條規定，鋼筋的錨固長度取式(9),式(10)和12 in的較大值。

(9)

(10)

其中，fy為美國規范的鋼筋屈服強度，取58 000 psi；λ為混凝土品種系數，對于普通混凝土取1；ψt為鋼筋定位系數，取為1；ψe為涂層系數，無涂層取為1；db為錨筋直徑，取為0.472 in；ψs為鋼筋品種系數，取為0.8；cb為取錨筋中心到混凝土邊緣的距離或者錨筋間距的一半的較小值，取為1.772 in；Ktr為橫向鋼筋系數，偏于保守的取為0。

將以上參數代入式(9)和式(10)，計算結果為12.784 in和5.1 in，故錨筋的計算錨固長度為12.784 in，即325 mm。錨筋的實際錨固長度為360 mm，滿足要求，故可以不用考慮錨筋的拔出強度。

3.1.4 混凝土抗側面爆裂強度

ACI 349—13附錄D5.4僅對帶端錨頭錨栓，且錨栓靠近混凝土邊緣時(c<0.4hef)，混凝土抗側面爆裂強度起控制作用。對于直錨筋，且混凝土邊緣存在設備閘門筒節約束，故可不考慮此項。

3.2 受剪承載力

預埋件的受剪承載力取以下3項中的較小值：錨筋強度、混凝土抗崩裂強度、混凝土抗剪翹強度。

3.2.1 錨筋強度

根據ACI 349—13附錄D.6.1計算：

Vsa=n0.6Ase,Vfuta

(11)

其中，Ase,V為單個錨筋截面面積，取0.175 in2。將其代入式(11)，計算結果為1 479 870lb，即6 583 kN。

3.2.2 混凝土抗崩裂強度

根據ACI 349—13附錄D.6.2計算：

(12)

(13)

其中，AVco為到垂直于剪力方向的構件邊緣距離不小于1.5ca1的單個錨筋的混凝土投影面積，見圖6，計算結果為109 in2；AVc為群錨在混凝土構件邊緣處破壞面的投影面積，基于半椎體的投影計算，見圖7，計算結果為7 363 in2；ψec,V為受偏心剪力的群錨調節系數，因剪力無偏心，故取為1；ψed,V為群錨邊緣效應系數，因只有1個邊緣，故取為1，ψc,V為與區域配筋和混凝土狀態相關的系數，對于開裂混凝土，偏于保守的取為1；ψh,V為與錨筋區域混凝土厚度相關的系數，混凝土厚度遠大于1.5ca1，故取為1；Vb為開裂混凝土中單個錨筋受剪時的混凝土基本抗崩裂強度，按式(13)計算，其中le為受剪螺栓的荷載擠壓長度，取hef和8da中的較小值；da為錨筋截面面積，取0.472 in2；ca1為錨筋中心到混凝土邊緣的距離，取4.921 in，則計算結果為6 816lb。

將以上參數代入式(12)，計算結果為460 424lb，即2 048 kN。

3.2.3 混凝土抗剪翹強度

根據ACI 349—13附錄D.6.3計算：

Vcpg=kcpNcbg

(14)

其中，kcp取2.0，則計算結果為11 056 kN。

3.2.4 拉力和剪力共同作用

根據ACI 349—13附錄D.4.1.2，預埋件的抗拉設計強度和抗剪設計強度：

φNn=min[φNsa,φNcbg]

(15)

φVn=min[φVsa,φVcbg，φVcpg]

(16)

根據ACI 349—13附錄D.4.4，Nsa和Ncbg的強度降低系數φ分別取0.75和0.7。Vsa,Vcbg和Vcpg的強度降低系數φ分別取0.65，0.7和0.7。將各參數代入式(15)和(16)，計算結果為3 870 kN和1 433 kN。

根據ACI 349—13附錄D.4.7，對于同時受拉和受剪，且拉力設計值滿足Nua≤0.2φNn時，其剪力設計值需滿足式(17)：

φVn≥Vua

(17)

將預埋件抗剪設計強度和剪力設計值代入式(17)，滿足要求。故預埋件承載力滿足要求。

4 結語

本文按GB 50010—2010對ACP1000內層安全殼非標預埋件進行了設計，并提供了按核相關規范ACI 349—13對預埋件承載力進行驗算的詳細過程。驗算過程和結果表明，ACI 349—13預埋件設計基于錨筋和混凝土受力狀態和預埋件預期破壞模式，概念清晰可靠，計算的承載力較小。按ACI 349—13計算預埋件承載力是偏于安全的。

[1] GB 50010—2010，混凝土結構設計規范[S].

[2] ACI 349—13,Code Requirements for Nuclear Safety-Related Concrete Structures and Commentary[S].

[3] ACI 318—14,Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary[S].

[4] 貢金鑫，魏巍巍，胡家順.中美歐混凝土結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

ACP1000 inner containment equipment non-standard embedded part design

Zhao Jintao Yao Di Meng Jian

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd, Beijing 100840, China)

According to the design load and shape parameters offered by process, according to GB 50010—2010, this paper introduced the design method of non-standard embedded parts of a equipment of ACP1000 primary containment, and according to ACI 349—13, made tensile and shear bearing capacity of embedded parts.

ACP1000, primary containment, embedded part, bearing capacity

1009-6825(2017)12-0040-03

2017-02-18

趙金濤(1984- )，男，工程師； 姚 迪(1983- )，男，高級工程師； 孟 劍(1980- )，男，高級工程師

TU318

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