反應堆廠房樓板模塊分析方法改進研究

王 波,顏 彥

(上海核工程研究設計院有限公司，上海200233)

模塊化建造施工是第三代先進壓水堆核電廠采用的一種先進的施工理念，它對傳統(tǒng)的施工理念進行優(yōu)化，模塊化建造就是在工程建造中最大化的利用場外進行預制和組裝，從而減少現(xiàn)場的施工作業(yè)，使廠內的作業(yè)從串行施工變?yōu)椴⑿惺┕ぃ纳屏耸┕ぷ鳂I(yè)環(huán)境，提高了工程質量，將土建、安裝、調試等工序進行深度交叉，從而縮短核電施工建設工期，進而降低造價[4]。模塊化建造施工在依托項目是初次應用，設計、建造過程中積累了大量寶貴經驗，依托項目建設中的與模塊相關經驗反饋可運用到后續(xù)機組的分析設計中。

第三代先進壓水堆核電機組的結構模塊形式有多種，設置樓板模塊，是當土建施工時房間內已設置設備模塊，如果再要在設備模塊上空現(xiàn)澆樓板將有一定的困難，這樣就需要一種樓板鋼結構模塊，待其吊裝就位后，再填充混凝土即形成樓板。樓板模塊的典型截面如圖1所示。

圖1 堆內樓板模塊典型截面Fig.1 Typical section of floor module

堆內樓板模塊的結構形式比較特殊，為鋼-混凝土組合結構，之前的計算分析方法是直接采用核島內部結構的模型(CIS模型)單元進行配筋計算及底部鋼板需求量校核，此種方法的缺點是無法直接對樓板模塊的鋼梁進行應力比、連接強度及端部預埋件的驗算，且無法體現(xiàn)樓板模塊在施工階段的受力情況。由于采用的模型及計算結果均來自于CIS核島模型分析，無法實現(xiàn)后續(xù)的模型局部修改及優(yōu)化設計，且存在較大的尺度誤差。因此，針對堆內樓板模塊，有必要采用精細模型的分析計算方法，目前國內外相關規(guī)范條文僅提供了較籠統(tǒng)的指導意見，尚缺少詳實的設計指導文件。

1 樓板模塊分析方法的改進

原有的分析方法，采用的是CIS模型抽取包絡工況的內力結果配筋+手算鋼梁的方式。存在幾個問題：

(1) 存在尺度誤差。CA樓板模塊相對整個核島內部結構，只是很小一部分，而且對于CA模塊而言，單元的劃分尺寸過大。利用整體模型的分析結果來對局部的CA模塊進行配筋設計驗算，顯然存在較大的誤差；

(2)難以考慮所有的荷載。由于原先部分溫度、支架反力、推車等局部荷載未考慮，未暴露出可能計算不通過的情況。

(3)CIS模型本身部分樓板洞口未能精確體現(xiàn)，存在技術風險。如個別模塊樓板洞口布置在后續(xù)機組中有較大的變動。

(4)CIS模型無法直接對樓板模塊的鋼梁進行應力比、連接強度及端部預埋件進行驗算。

針對原有采用CIS模型對CA樓板模塊分析存在的問題，采用下列方案解決：

(1)重新建立參數化的CA樓板模塊有限元模型。特別是對于設計變動較大的CA模塊，參數化建模可以方便地對模型進行修改及重新分析設計，為后續(xù)的設計改進提供便利；

(2)采用合適的單元劃分尺度。針對不同的CA樓板模塊的大小，制定合適的單元劃分尺度，減小因單元劃分帶來的計算誤差；

(3)采用包含了鋼梁的有限元模型。采用包含了鋼梁的組合截面模型進行分析，可以便于后處理直接對鋼梁及連接進行校驗。

CIS模型與改進的精細模型的對比示例如圖2所示。

圖2 樓板模塊分析模型的改進Fig.2 Improvement of floor module analysis model

1.1 不同工況下的結構假定

對于堆內樓板模塊，其計算分析需考慮其受力的兩個階段：

(1)混凝土凝固前：鋼結構作為施工模板，承受自重及澆注的混凝土重量，即為施工工況；

(2)混凝土凝固后：鋼結構與混凝土一起形成組合結構，承載自重及樓面其他荷載，即為正常運行和事故狀態(tài)工況。

根據CA樓板模塊不同工況下的分析側重點以及在包絡設計的概念的基礎上，在建立CA樓板模塊精細模型時，采用了如表1所示的五種計算假定及邊界條件的參數化精細模型進行分析。

表1 堆內CA樓板模塊五種分析模型

1.1.1 五種參數化模型的介紹

建立ANSYS有限元精細模型的主要單元可按下述選取：

(1)鋼梁可采用三維梁單元模擬；

(2)樓板可采用三維殼單元模擬。

Model 1和4由于均設定為純鋼結構，樓板僅考慮按鋼板建模(用AISC N690評定)；

Model 2、3和5則均設定為鋼-砼組合結構，為簡化模型，將底部鋼板等效成部分混凝土來考慮，樓板按等效后的混凝土板建模(對于頂部配筋及底部鋼板，用ACI 349評定；對于鋼梁用AISC N690評定)。

1.1.2 考慮溫度工況的邊界條件引入

與一般的組合結構設計相比，堆內CA樓板模塊的結構需要考慮事故工況下較高的溫度荷載(如水淹溫度工況)，設計基準事故下，對于三代核電機組反應堆廠房內部各鋼平臺構件所承受的事故峰值溫度，相對于正常運行狀態(tài)下的溫度有近100 ℃的溫度上升[5]，使得反應堆廠房內的結構構件受熱膨脹，產生溫度內力。從已有的分析結果來看，事故溫度內力很高，而且較其他工況下的內力(尤其是桿件軸力)高出很多，往往僅在事故溫度工況下，結構承載力已經無法滿足設計要求。這給組合結構的分析設計帶來較大的困難。溫度作用是核島廠房混凝土結構和組合結構設計的控制性工況。依托項目溫度工況引起大量設計變更，因此有必要研究分析溫度工況并合理進行結構設計。

在高溫下，材料的強度等力學性能將有一定程度的變化，也需作特殊考慮。并且溫度作用下混凝土開裂會使結構剛度降低，常規(guī)設計是采用溫度折減系數法進行考慮[8]。除此之外，溫度荷載條件下，樓板邊界以軸向變形為主，支座的變位對結果影響很大。因此需要從CIS核島整體模型中引入事故溫度下對應樓板的邊界條件，達到與CIS模型變形相一致的目的。如何正確引入溫度荷載作用下邊界條件，是溫度荷載工況分析的關鍵。

根據CA樓板模塊的結構形式和受力特點， 對于表1中定義的模型Model-05，由于要考慮水淹溫度工況，樓板邊界不能簡單地定義成鉸接或固接，而是需要提取內部結構CIS模型中該樓板在水淹溫度工況下的六個自由度方向的邊界位移(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ)，然后引入精細模型作為水淹溫度下的位移荷載來考慮。由圖2可見，CIS模型單元與精細模型存在明顯的網格差異，需要將提取的位移響應插值后方能引入精細模型。本文使用由Matlab編制的邊界位移插值程序，可得到精細模型的邊界條件，如圖3～圖6所示。

圖3 溫度工況邊界位移插值子模塊界面Fig.3 Boundary displacement interpolation interface under temperature condition

圖4 CIS模型水淹溫度工況下節(jié)點的位移Fig.4 Displacement of nodes in CIS model under flood temperature condition

圖5 精細模型邊界節(jié)點位移插值結果Fig.5 Displacement interpolation results of boundary nodes of fine model

圖6 精細模型施加邊界條件后變形云圖Fig.6 Deformation nephogram of fine model after boundary condition are applied

1.1.3 包絡設計要求

堆內CA樓板模塊在后處理中需要驗算的內容大致有：鋼梁應力比校驗、板頂配筋計算、底部鋼板需求量驗算、鋼梁端部錨固件的驗算。根據表1中的模型假定，針對不同的驗算內容，所需包絡的模型分析大致可分為三種類別：

2 結構評定內容

堆內CA樓板模塊的驗收準則主要分為兩部分內容，分別是鋼結構構件(包括型鋼和連接節(jié)點)的驗算和混凝土配筋、支座預埋件的驗算。對于鋼結構構件(包括型鋼和連接節(jié)點)，相關力學驗算按照AISC N690規(guī)范中的LRFD(Load Resistance Factor Design)方法進行；對于混凝土配筋(包括底部鋼板)以及支座預埋件，由于其埋置在混凝土內，因此相關力學驗算按照ACI 349規(guī)范進行。

(1)鋼梁驗算時，讀取每個工況下每個鋼梁單元的應力比，并取包絡值進行驗算。由于鋼梁周圍實際都被混凝土完全包裹，不考慮鋼梁發(fā)生失穩(wěn)的可能。CA樓板模塊中鋼梁的應力比驗算在ANSYS軟件中完成，驗算方法采用AISC N690規(guī)范中的LRFD方法，驗算公式如下：

Ru≤φRn

式中：Ru——構件的需求強度，根據有限元分析包絡結果獲得；

Rn——構件的名義強度，構件的各個名義強度可根據AISC N690規(guī)范中的相關規(guī)定計算獲得；

φ——AISC N690規(guī)范中規(guī)定的抗力系數；

φRn——結構構件的設計強度。

在使用AISC N690規(guī)范進行結構構件驗算時對上述驗算公式進行了調整，以應力比的形式進行驗算，公式如下：

其中ρ為構件各工況下臨界截面的應力比(實際應為構件的內力比值，但為了符合稱呼習慣，還是沿用應力比作為其名稱)。

(2)樓板配筋方法：將底部鋼板等效為鋼筋，取單位板寬按雙筋混凝土截面進行配筋計算。樓板上層鋼筋與周圍模塊墻體相接時，通過鋼筋機械接頭直接錨入模塊墻體中。樓板底部的鋼板通過鋼筋搭接的方式與模塊墻體以及周圍的大體積混凝土連接，搭接節(jié)點見圖7所示。板底從支座處伸出的鋼筋需要和帶有剪力釘的鋼板進行搭接，搭接鋼筋的面積根據分析模型計算出的底部鋼板需求量，按截面抵抗彎矩力臂的折減進行計算。

圖7 樓板模塊鋼筋搭接節(jié)點Fig.7 Floor module rebar lap joint

3 樓板模塊數字化設計開發(fā)簡介

結合依托項目堆內CA樓板模塊分析計算經驗，針對整個設計過程，利用Matlab的GUI編程[7]，開發(fā)了堆內CA樓板模塊數字化設計流程及工具，界面如圖8～圖10所示。

圖8 總體參數設置界面Fig.8 Overall parameter setting interface

圖9 模型參數設置界面Fig.9 Model parameter setting interface

圖10 操作及校驗界面Fig.10 Operation and calibration interface

主要實現(xiàn)如下功能：

(1)自動生成CA樓板模塊ANSYS命令流輸入文件包(包括五種參數化精細模型、荷載施加、荷載組合、配筋計算參數等)。

(2)通過該工具集成的控制鍵調用ANSYS進行分析計算、處理分析結果。

(3)自動實現(xiàn)諸如鋼梁應力比結果的校驗、配筋結果的包絡、鋼梁支座預埋件的計算等工作內容，并整理校驗結果。

利用該數字化設計工具，可減少計算分析人員的人因錯誤，并大幅度的提高堆內樓板模塊分析計算的工作效率。

4 結論

反應堆廠房樓板模塊分析方法的改進是在依托項目堆內CA樓板模塊設計經驗的基礎上，對堆內CA樓板模塊的計算分析流程及技術要點進行總結、提煉和改進，提出的利用五種精細模型進行包絡設計，可以實現(xiàn)諸如樓板模塊各工況下的力學分析驗算、構件及配筋校驗，連接節(jié)點校核、預埋件驗算等內容，本文對其中關鍵的幾個技術點進行了詳細說明。針對該分析方法，開發(fā)的數字化設計工具，規(guī)范了堆內樓板模塊分析計算的各步驟，旨在為設計人員在后續(xù)機組的堆內CA樓板模塊分析設計提供指導和借鑒。