密封小室整體打壓設計和試驗分析

□李金艷 楊風松

一、概述

密封小室為核安全級、抗震I類的鋼筋混凝土結構，頂板、底板厚2m，四周墻體厚1.5m，長×寬×高為5.4×4×4.6m，內設不銹鋼覆面，鋼覆面與混凝土結構共同作用，包容嚴重事故工況下的高溫及高壓液體。

為了確保密封小室在事故壓力下的密封可靠性，需對密封小室混凝土結構進行整體性試驗，據此對密封小室混凝土結構的完整性和安全性進行評定，從而為密封小室結構的成功建設提供可靠的試驗依據。參照《壓水堆核電廠安全殼結構整體性試驗》(NB/T 20017-2010)的要求，試驗壓力應達到廠房結構設計壓力的1.15倍。嚴重事故時密封小室結構內部壓力值為2MPa，所以打壓試驗的最大內外壓差應為2.3MPa。

二、試驗內容

根據《壓水堆核電廠安全殼結構整體性試驗》(NB/T 20017-2010)的要求，進行壓力試驗時，密封小室的鋼筋混凝土結構進行以下幾方面的試驗檢測。

(一)結構整體變形。測試在各等級試驗壓力下墻體的外凸變形。

(二)非預應力鋼筋應力測量。測量在各等級試驗壓力下墻體在水平和垂直兩個方向上主筋的應力值；混凝土應變應力測量：試驗壓力下墻體混凝土在水平和垂直兩個方向上的應變應力值。

(三)表面裂縫。觀測在各等級試驗壓力下墻體外表面混凝土是否會出現微細裂縫。

(四)外觀質量檢查。對密封小室的壓力邊界外觀全面檢查。檢查范圍包括裂縫、蜂窩、麻面、孔洞、表面夾雜物、表面玷污及缺棱掉角等。

三、單元選擇和有限元模型的建立

由于密封小室墻板厚度與跨度之比均大于1/5,屬厚墻厚板結構,剪切變形不容忽略，應采用Mindlin/Reissner公式計算。考慮彈性計算分析結果與實際模型會有較大的偏差，本文采用更加精確的彈塑性分析，以便真實考慮混凝土開裂或鋼筋進入塑性對結構整體剛度和應力分布的影響。

采用SAP2000有限元軟件進行建模計算，建立密封小室的整體三維有限元模型如圖1所示。模型中墻板均采用非線性分層殼單元，分層殼單元由各向鋼筋層和混凝土層組成共同受力，考慮混凝土和鋼筋的材料非線性。

圖1 整體三維有限元模型

四、計算結果與試驗對比分析

考慮結構自重，并在密封小室內部施加2.3MPa的壓力，經計算求解，結構的最大變形和應力分別進行詳細分析。

(一)整體變形。由圖2可以看出，打壓狀態下，密封小室墻體中部的變形最大，在Z向的最大變形值為2.1mm，與1.9mm的試驗測定值基本一致。

圖2 整體變形

(二)鋼筋、混凝土的應力分布。在荷載作用下墻體外側的跨中鋼筋和內部的端部鋼筋的計算應力最大，分別為74.8MPa和192MPa，如圖3所示，試驗測得的最大應力分別為82MPa和185MPa：HRB400級鋼筋的強度設計值為360MPa，所以鋼筋強度滿足設計要求。

a)墻體外側跨中鋼筋應力 b)墻體內側端部鋼筋應力圖3 鋼筋應力圖

混凝土的試驗應力達到了5MPa，已經超過了C35混凝土的抗拉強度標準值2.2MPa，說明混凝土已進入帶裂縫工作狀態。

(三)墻體裂縫。在最大壓力載荷作用下,外側跨中出現了局部范圍的開裂，實測最大裂縫達到了0.2mm,小于裂縫計算值0.29mm。

五、結論和建議

通過上述計算分析，可以得出如下結論：第一，采用非線性分層殼可以較好地模擬厚墻厚板的彈塑性力學特性。第二，由于壓力較高，墻體在彎矩較大處裂縫開展明顯，為確保結構的密封性，結構內側宜采用鋼覆面作為密封壓力邊界。第三，對于壓力較高的密封小室，需要密切關注高壓下的裂縫缺陷，建議采用預應力結構控制結構裂縫。