核電廠房筏基底板的配筋設計方法研究

王 鵬 沈 亮

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

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核電廠房筏基底板的配筋設計方法研究

王 鵬 沈 亮

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

以某核電站電氣廠房整體計算為例，采用路徑積分法，建立了有限元分析模型，并進行了筏基底板配筋計算，計算結果可信度高，可為同類工程提供參考。

ANSYS，路徑積分，核電廠房，配筋量

目前，在核電廠房配筋計算時，大多采用有限元軟件ANSYS進行計算分析，得到結構的內力，再依據《XX核電站內部結構廠房配筋計算說明》進行配筋，該方法需要得到單元的薄膜力、彎矩及剪力。在核電廠房有限元模型中，墻、板構件大多采用適用于模擬薄殼和中等厚度殼結構的殼單元Shell181模擬，Shell181單元的輸出結果包括平面內薄膜力N11，N12和N12，平面外彎矩M11，M12和M11，以及平面外剪力Q13和Q23，輸出的8個單元內力與《XX核電站內部結構廠房配筋計算說明》中所需的內力完全一致，因此采用該方法在殼單元配筋計算的應用上有了較多的研究，應用也較廣。

由于核電廠房筏基底板厚度一般較厚，不能采用模擬薄殼和中等厚度殼結構的殼單元來模擬，因此在核電廠房筏基整體計算時，均采用實體單元來模擬。在實體單元輸出的結果中，無法直接得到所需的8個單元內力，因此還需采用其他方法得到適用于上述方法的8個單元內力，以實現實體單元的配筋計算。

針對上述問題，本文將以某核電站電氣廠房整體計算為例，采用路徑積分的方法提取實體單元的內力，并對筏基底板進行配筋計算。

1 路徑積分法的原理

在有限元軟件ANSYS中的3D實體單元只能輸出單元應力，不能直接輸出單元內力，但在ANSYS后處理中，可以采用路徑操作功能[1]，將應力結果映射到路徑上，并對路徑結果進行各種數學運算和微積分運算，從而獲得計算所需的結果。對于筏基底板而言，在ANSYS后處理時，應選取應力相對較大區域的斷面作為典型的路徑[2]，根據彈性應力S在斷面上的拉壓分布正負的情況，對筏基厚度h進行應力路徑積分[3]，即可得筏基底板厚度方向的總薄膜力N及平面外剪力Q。同理，將積分得到的筏基底板厚度方向的總薄膜力N對中和軸取距，即可得筏基底板厚度方向的總彎矩M。計算筏基底板厚度方向的總薄膜力N及總彎矩M的原理如下式：

N=b∫Sdh

(1)

M=b∫S(h-h0)dh

(2)

其中,dh為對筏基底板厚度方向進行積分，可根據實際模型需要，將厚度分成n等份；b為結構單位寬度，取為1；h-h0為該應力所在位置與中和軸的相對高度。

2 有限元模型

2.1 模型的基本信息

某核電站電氣廠房底板標高為-10.6 m，頂部標高28.4 m，總高為39 m，其中筏基底板厚度分別為3 m,2.4 m,1.4 m。在廠房的有限元分析模型中，單元尺寸在0.5 m左右，共有單元118 534個，節點388 063個，筏基底板采用實體單元Solid65模擬，筏基模型見圖1。上部結構的墻、板構件采用殼單元Shell181模擬，基底土—結構相互作用采用彈簧單元Combin14模擬，廠房整體模型見圖2。

2.2 材料參數

在有限元分析模型中，混凝土材料采用線彈性材料模型，混凝土強度等級為C40，鋼筋選用HRB400級熱軋帶肋鋼筋。基底土—結構相互作用采用三維彈簧系統來模擬，地基靜態彈簧剛度，參照能標計算方法，得到的彈簧剛度為：

KZZ=KXX=KYY=2.54×1011N/m。

地基動態彈簧剛度，按照等效彈簧剛度公式[3]，按矩形底板計算，計算的剛度值為：

KX=KY=7.27×1011N/m;KZ=9.18×1011N/m。

繞X軸：Kφx=4.096×1015N/m；

繞Y軸：Kφy=3.969×1015N/m。

2.3 荷載及工況組合

按照規范[4]以及工程實際的要求考慮荷載和荷載組合[5]，包括正常運行荷載，異常荷載，嚴重環境荷載以及極端環境荷載的工況組合方式進行配筋計算。

2.4 計算分析過程

由于該核電電氣廠房的底板采用實體單元，ANSYS結果輸出時不能直接輸出內力，需采用路徑積分法提取內力。內力提取時，X軸方向和Y軸方向各提取五個典型的剖面，作為配筋計算的控制截面。

2.5 配筋計算結果

表1 底板包絡后的配筋結果

底板部分路徑配筋結果見表1，其中計算值指路徑積分法計算得到配筋結果計算值，原值指電氣廠房實際配筋量，裕度指原值與計算值的差值比實際配筋量的百分數。由表1可知，路徑積分法計算得到的配筋結果與實際配筋量相比，有一定的裕度，符合實際工程設計要求。

3 結語

采用ANSYS后處理器中路徑積分法更加可以快捷、方便的讀取單元的應力，并在相應的路徑上進行各種數學運算和微積分運算，從而獲得計算筏基底板所需的單元內力，并通過得到的單元內力應用到核電廠房相關配筋計算公式中，進而求得筏基底板的配筋量。在核電廠房整體計算過程中，采用ANSYS的前處理可以精確的模擬結構的材料本構、邊界條件以及各個荷載工況組合，相比其他平面計算方法或結構力學方法，計算的結果更加合理，而在此基礎上，采用路徑積分的方法，可以為核電廠房筏基底板的配筋計算，提供了一種精確、可操作的配筋計算方法。

[1] 王新敏.ANSYS工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2015:316-320.

[2] 劉玲玲，吳永恒.有限元法在大體積混凝土結構配筋計算中的應用[J].人民長江，2012(9):21-24.

[3] 程亞娟，簡 政，馮宏團.非桿件結構體系彈性應力配筋法[J].西北水利發電，2005(9)：30-33.

[4] GB 50010—2010,混凝土結構設計規范[S].

[5] 壓水堆核電廠核安全有關的混凝土結構設計要求[Z].

Study on reinforcement design methods of raft-base board of nuclear-power plant

Wang Peng Shen Liang

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd,Beijing100840,China)

Taking the integral calculation of the electrical workshop of nuclear power station as an example, applying path integral method, the paper establishes finite element analysis model, carries out raft-base board reinforcement calculation, and achieves high reliable results, which can provide some guidance for similar engineering.

ANSYS, path integral, nuclear-power plan, reinforcement quantity

1009-6825(2017)15-0045-02

2017-03-15

王 鵬(1989- )，男，助理工程師; 沈 亮(1989- )，男，助理工程師

TU318

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