核電廠鋼筋混凝土箱涵結構有限元分析

張福征 陳 陽 郭廣生 張營營

(1.國核電力規劃設計研究院，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構有限元分析

張福征1陳 陽1郭廣生2張營營2

(1.國核電力規劃設計研究院，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構的受力情況，采用MIDAS有限元分析軟件對該鋼筋混凝土結構進行了整體建模計算，得出的結果能為結構設計提供準確的信息，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，隨著世界范圍內核電技術的改進特別是第三代核電技術的發展運用，單臺機組發電功率可達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，常規島系統冷卻用水量增加，循環水取排水系統是核電工程中的重要建筑物，多采用現澆混凝土箱涵結構。已有研究表明有限元法在鋼筋混凝土結構分析中具有獨特的優勢[1,2]，加之其為地下結構，需綜合考慮地下水作用、管涵內部輸水壓力、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構應力、應變、位移等結構反應信息，準確描述結構內力、變形和裂縫的發展過程，從而對結構的承載能力和可靠性做出分析評價，為后續結構計算優化設計提供依據。

本文以某核電廠現澆鋼筋混凝土箱涵結構為例，地基反力采用彈性連續介質地基模型，通過MIDAS有限元設計軟件對鋼筋混凝土箱涵結構的實際受力情況進行分析計算。MIDAS的幾何建模和網格劃分技術采用了在土木領域中已經被廣泛應用的前后處理軟件MIDASFX+的核心技術，同時融入了強大的線性、非線性分析內核，是一款專門適用于土木領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，采用全地下結構，計算斷面的頂高程為0m，底高程為-6m，設計地面標高為10m，即有壓箱涵頂部埋深為10m，運行工作最大內水壓力為8m～12m。箱涵結構尺寸：頂板、底板、側壁、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。

由于現澆混凝土箱涵對地基不均勻沉陷具有良好的適應性，而考慮到該核電廠箱涵建造在明挖施工的基巖上，地質條件較好，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，箱涵內部角隅部分均設有加腋，不考慮其對結構的影響，仍按等界面計算。

由于該現澆混凝土箱涵上部存在常規島大件運輸過路段，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水取排水箱涵結構的安全性。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 計算結果及分析

2.1 計算模型

本鋼筋混凝土箱涵結構采用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，建立以圖1為依據的4孔鋼筋混凝土箱涵三維模型，以每分縫長度為依據整體建模計算。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 箱涵結構計算工況及荷載組合

2.2 計算結果及分析

由于MIDAS根據荷載工況組合，可得出數十種分析結果，為了更好的反映箱涵極限承載能力下的受力狀態，選取典型工況組合下的計算成果見圖2～圖5。

通過有限元計算結果可以直觀的反映箱涵的內力情況，根據箱涵結構在不同工況下的受力情況，為靜力計算提供依據，對結構進行配筋。由于有限元計算能夠對結構進行整體性力學分析，與結構力學中靜力計算方法相比，更能真實反映實際情況，能夠驗證結構形式和材料強度的合理性，從而分析結構的安全性。

3 結語

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、真實的反映結構受力狀態，因此有限元計算結果能夠為結構設計提供準確信息。

由于鋼筋混凝土結構具有非常復雜的性質，特別是結構受水壓力等反復加載、卸荷或路面道路突然加載等，類似循環載荷、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力對結構受力狀態影響較大，如果不能很好的控制混凝土入模溫度、內外溫差或養護不利等，都會使混凝土開裂，嚴重的會形成貫通性裂縫，從而對結構的耐久性產生極為不利的影響，造成構建失去其使用特性，因此溫度應力是該類結構計算時必須考慮的問題。

該箱涵結構為地下構筑物，同時鑒于該工程的重要性，因此混凝土必須滿足規范要求，應嚴格控制堿含量、氯離子含量等參數，避免對結構耐久性產生不利影響，這也是今后結構分析中應該重點關注的問題。

[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,2004.

[1]黃福才,吳換營.ANSYS軟件在現澆鋼筋混凝土箱涵結構計算中的應用.南水北調與水利科技,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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