基于MATLAB的核島廠房構件配筋設計研究

【摘要】核島廠房結構復雜、體型龐大，采用ANSYS有限元計算時單元及工況數量多、幾何及材料參數多；目前尚無相關商業軟件能進行核島廠房自動配筋計算，只能人工計算，效率極低，且存在不易校對審核，易出錯的風險。本文采用MATLAB軟件對核島廠房構件批量配筋設計進行研究，開發了一套配筋計算程序文件，減少人為失誤，提高計算效率。

【關鍵詞】核島廠房；有限元；MATLAB

核電站核島廠房體型龐大，內部結構復雜，平面、豎向不規則，計算時要考慮龍卷風、爆炸沖擊波、管道破裂等特殊荷載。常用的配筋計算軟件難以滿足設計要求，需借助有限元軟件進行計算分析。為準確模擬核島廠房的實際情況，整體計算采用的ANSYS三維有限元模型所包含的單元數量往往很大，達到幾萬甚至十幾萬個單元。同時，其自身定義的幾何參數、材料參數種類繁多。這幾種因素疊加在一起，給后續核島廠房的構件配筋設計帶來巨大的工作量，人工處理耗時費力，還極易出錯，同時存在不易修改、校核的情況，效率極低。因此有必要尋找一種后處理方法，做到優化流程、提高效率、更好更快的進行核島廠房結構設計。

1、MATLAB配筋程序開發

1.1配筋設計程序方法

本文主要借助于MATLAB軟件參數化編程語言，通過編制參數化程序及m文件來實現核島廠房配筋計算設計的目的。利用MATLAB程序語言進行二次開發可以實現分析過程的參數化控制，使得整個分析過程流暢，編制的程序也有較強的適用性、可校對性及后續改進性。

核島廠房構件設計采用《壓水堆核電廠核安全有關的混凝土結構設計要求》（NB/T 20012-2010）進行工況組合和配筋計算。

1.2配筋設計流程

本文介紹的配筋后處理主要流程為：（1）提取ANSYS有限元模型數據文件、各個單工況計算結果數據文件。（2）讀取ANSYS模型的截面信息數據文件。（3）根據NB/T 20012-2010進行工況組合，配筋采用NB/T 20012-2010及GB50010-2010兩種規范方法進行計算設計。（4）自動驗算構件最小配筋率。（5）自動輸出最大配筋單元結果并自動批量保存各個工況的計算結果。

1.3后處理程序文件編制及使用方法

利用MATLAB軟件的編程語言，按照配筋設計流程，本文編制了一套計算核島廠房常用SHELL63、SHELL181單元對應的構件配筋設計程序文件，共計9個m文件。各個文件的功能詳見表1。該后處理程序采用自動以構件編號的形式輸出，也支持用戶自定義輸出。可考慮不同的工況輸出情況，后處理的所有數據自動保存到指定的文件夾。

該后處理程序使用步驟如下：（1）打開MATLAB，指定工作目錄。（2）在MATLAB工作目錄中拷貝配筋程序文件shell_matlab_peijin.m。（3）在MATLAB工作目錄中，建立文件夾，將ANSYS后處理程序得到的數據文件夾全部拷貝到文件夾中。（4）在MATLAB工作目錄的文件夾中增加REAL_INFO.DAT、SECN_INFO.DAT兩個數據文件。（5）運行shell_matlab_peijin.m文件直至結束。

2、算例驗證

通過一個具體算例來演示和驗證對本文的程序文件進行驗證。驗證廠房設計使用年限50年，采用框架剪力墻結構。利用SHELL181單元模擬墻板，BEAM188單元模擬梁柱進行有限元模型建模和整體計算分析。單元數量為16023個，計算單工況數量為63種。

為驗證程序的正確性，采用人工后處理結果來驗證程序結果，限于篇幅，下面僅選擇永久荷載工況下一層樓面構件殼單元的后處理數據。人工結果與程序結果對比如下圖1所示。

結論：

通過算例驗證可知本文提出后處理程序輸出結果與人工計算結果達到高度一致，相對誤差不超過為0.03%，且本程序可以自動讀取有限元計算輸出的內力數據，大大提高了計算效率。

本后處理程序完成了核電設計規范NB/T 20012-2010以及民用設計規范GB 50010-2010的批量配筋程序，做到了優化設計流程、提高設計效率，可更快更好的進行核島廠房結構設計。

參考文獻：

[1]《APDL參數化有限元分析技術及其應用實例》.

[2]《混凝土結構設計規范》GB50010-2010.

[3]《壓水堆核電廠核安全有關的混凝土結構設計要求》NB/T20012-2010 .