核電廠GB綜合管廊頂板凸起處側壁板設計分析

□孟志勇 于鳳榮

一、概述

核電廠GB綜合管廊是廠區內重要的BOP子項，是連接廠區內核島、常規島及其它輔助性廠房、設施的通道，廠區內的工藝管線、給排水管線、電纜均由此輸送到各廠房，幾乎遍布整個主廠區，多為現澆鋼筋混凝土結構。

核電廠GB綜合管廊規模大，功能多，專業接口多，設計配合難度大。內設人行通道、鋼平臺和鋼爬梯，頂部根據需要設有安裝孔、通風孔、人孔等，截面形式多為矩形。核電廠區采用綜合管廊主要有兩大優點：第一，核電機組工藝復雜，結構特殊，各種管線縱橫交錯,設備及附屬管線檢修頻繁，為保證絕對安全，綜合管廊可以從根本上解決因場地開挖對廠房結構帶來的安全隱患；同時可以保持廠區內環境美觀，道路暢通。第二，我國核電廠多分布在東部沿海地區，地下水腐蝕性較強，將各種管線通過綜合管廊輸送到各廠房，大大減少了土壤和地下水對管道、電纜的腐蝕，可以延長使用壽命，降低因管線老化引起的故障率。

GB綜合管廊將整個核島廠區的電力、通信、熱力、給排水、工藝等專業的管線集于一體，為了滿足其各項使用功能，管廊的頂板、底板會設計許多凸起、下凹，這些部位往往內部空間大、側壁板不規則，目前采用教材和規范中推薦的“閉合框架模型”來計算存在一定的不足，本文以某核電廠ACP1000型號為例，基于ANSYS有限元分析軟件對GB綜合管廊子項頂板凸起部位側壁混凝土板的設計進行分析。

二、工程實例分析

(一)工程概況。某核電項目GB綜合管廊凈跨度2.700m，管廊平直段凈高度2.700m，頂板凸起處高出頂板頂標高2.000m，故頂板凸起處凈高度4.700m，頂板埋深-2.500m，壁厚均為0.400m。根據《核電廠抗震設計規范》該段管廊可歸為Ⅲ類物項，即核電廠中與核安全無關的物項，結構設計標準可采用民用建筑規范。根據地質勘察報告，該段管廊地基為微風化層，其承載力特征值fak=1,000kPa，地基條件較好；抗震設防烈度：7度，設計基本地震加速度值0.1g，設計地震分組為第二組。

(二)建模及計算。GB綜合管廊墻、板采用均shell181單元，坐落于巖層地基承載力特征值fak=1,000kPa，屬于較完整巖體,考慮到地基承載力相對于管廊所受荷載較高，忽略地基的整體變形，邊界條件采用固定支座約束，混凝土采用C35聚丙烯纖維防水混凝土，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.2，密度25kN/m3，側壓力系數取0.5。考慮到沿海地區雨量充沛，地下水按恒荷載計算，土的浮容重取10kN/m3，水的容重取10kN/m3，重力加速度g。對應結構專業圖紙，建立有限元模型為方便建模，分析管廊規則區段側壁板對凸起處側壁板的影響，本文在頂板凸起處的左右兩端各選取了1.0m長的規則管段，如圖1所示。

圖1 GB綜合管廊三維有限元整體模型

圖2 管廊側壁板彎矩云圖

圖3 管廊側壁板彎矩云圖

所受荷載包括結構自重；作用于頂板上的水土壓力；側壁分別受到向內作用的梯形分布的水土壓力；管廊沒有特殊的外加活荷載，可酌情考慮。以下分別給出了結構在自重和水土壓力共同作用下的兩側壁板的彎矩云圖，如圖2和圖3所示。兩側壁板的最大負彎矩均為68.3kN·m，出現在側壁板與底板相交處中部；側壁板幾何中心附近正彎矩最大，分別為34.39kN·m、34.48kN·m，且幾何中心附近較大范圍內彎矩值近似相等，自凸起處向兩端延伸至側壁板平順范圍內約0.7～0.8m。

為了比較與目前采用的“閉合框架模型”的不同，本文用清華大學編制的力學計算器計算了綜合管廊頂板凸起處在相同水土作用下的框架內力，結果如圖4所示，兩側壁板最大負彎矩均為179.71kN·m，最大正彎矩均為76.39kN·m。

圖4 綜合管廊力學計算器彎矩結果(kN·m)

(三)內力結果及對比分析。從圖4可以看出，“閉合框架模型”結果與有限元計算的結果相比最大內力出現的位置、作用方向基本吻合，數值是有限元計算結果的2～3倍。這是由于“閉合框架模型”選取的是框架截面，施加線荷載；而在實際受力過程中，側壁板整體受力，承受的是面荷載，管廊規則部分的側壁板對凸起部位側壁板有約束作用，從而抵消了部分最大彎矩。所以，對GB綜合管廊頂板凸起處側壁混凝土板設計時應注意：第一，因外側壁四角尤其是下部兩角與頂底板相交處存在較大負彎矩，同時此處剪應力也是最大，應采取加強措施；第二，在地基條件較好，地基承載力相對于管廊所受荷載可簡化為剛體時，“閉合框架模型”的計算結果是偏于保守的。

三、管廊標準截面設計建議

根據計算結果和工程實踐，圖5給出了核電廠GB綜合管廊標準斷面的配筋圖。在側壁四角配置斜向的加強鋼筋及8根通長鋼筋，直徑同主受力鋼筋。截面配筋采用頂、底板和側壁分開布置的方法，盡量不在最大彎矩和最大剪力處設置接頭。

管廊內側鋼筋及水平鋼筋的錨固長度滿足《混凝土結構設計規范》GB50010-2010(2015年版)的要求。管廊頂底板和側壁的外側鋼筋相互搭接，通過上述彎矩圖可知，管廊外側出現負彎矩的位置與截面形狀有密切聯系，故單側搭接長度滿足0.8Lae的同時尚需大于1/3*廊道凈跨度-50mm(考慮鋼筋保護層及施工誤差等因素)取整，具體可詳見圖5。

圖5 標準截面配筋圖(長度單位：mm)

四、結語

本文主要通過目前普遍采用的“閉合框架模型”計算結果與有限元軟件ANSYS計算結果對比，對地基條件較好的硬巖區域GB綜合管廊頂板凸起處側壁混凝土板設計進行了分析，介紹了“閉合框架模型”計算這類板的不足，同時根據工程實踐，對截面配筋設計提出了建議，需要指出的是，如果地基條件不好，如強風化軟巖等，邊界條件可選用地基彈簧模擬反力更符合實際受力過程，希望本文可為后續核電廠綜合管廊設計提供參考。