APC殼防飛機撞擊機械接頭的性能要求及使用范圍優化

馮芝茂，蔡利建

(中國核電工程有限公司 建筑結構所，北京 100840)

美國“9·11事件”之后，核電廠等重要構筑物遭受大型商用飛機撞擊的潛在可能性引起了公眾與政府部門的關切。包括我國“華龍一號”在內的國內外第三代核電堆型均將抗商用大飛機撞擊能力作為主要性能特征，同時各國也進行了大量的研究來評估第三代核電堆型抵御飛機蓄意撞擊的能力。美國核管理委員會在2009年修訂了聯邦法規10 CFR 50，要求申請新建核電廠時必須評估大型商用飛機撞擊對核電廠的影響；中國國家核安全局2016年修訂HAF 102[1]法規時也對抗商用大飛機撞擊提出了要求。

圖1 APC殼豎向剖面圖Fig.1 Virtical section view of the APC shell

核電廠APC殼主要用于抵抗商用大飛機的撞擊。APC殼是鋼筋混凝土結構，由外層安全殼以及燃料廠房、電氣廠房的外層防護廠房組成。APC殼豎向剖面圖如圖1所示，水平向剖面圖如圖2所示。APC殼設計時除了需要進行抗商用大飛機撞擊分析評估外，還需要對使用的建筑材料的性能進行相應的規定，保證材料性能與計算分析假定一致。目前我國在這方面還缺乏相應的技術支持文件，因此有必要進行相關的研究對抗飛機撞擊特殊機械接頭的性能做出相關要求與限制，并盡量減小這種特殊建造材料的使用范圍，降低工程造價。

圖2 APC殼水平向剖面圖Fig.2 Horizontal section view of the APC shell

1 抗飛機撞擊機械接頭的性能指標與使用范圍

參考國內外規范并咨詢相關制造廠家，從鋼筋機械連接接頭的抗拉強度、殘余變形、最大力下的接頭總伸長率、高應力與大變形反復拉壓性能、瞬間加載沖擊性能等方向進行研究與調研，形成了抗飛機撞擊用鋼筋機械接頭的工程技術文件。

設計時通過對外層安全殼與防護廠房各墻體開展撞擊敏感性分析，研究廠房各墻體在受到大飛機撞擊時各區域的縱向鋼筋應變值，確定墻體撞擊的敏感區域，在該區域使用抗飛機撞擊用特殊鋼筋機械接頭，在非撞擊敏感區域使用普通機械接頭。最終在 APC殼的設計中減小了特殊機械接頭的使用范圍，降低了工程造價。

2 抗飛機撞擊機械接頭的性能要求分析

機械接頭單向拉伸時的強度和變形是機械接頭的基本性能。機械接頭在高應力下的反復拉壓性能反映了接頭在風荷載和小于極限安全地震作用下承受高應力反復拉壓的能力，而大應變反復拉壓性能則反映結構在超出極限安全地震作用或其他超設計基準事件下鋼筋進入塑性變時機械接頭的延性能力。參考《鋼筋機械連接技術規程》JGJ 107—2016[2]和法國核電設計標準ETC-C[3]的要求，對上述常規性能做了如下要求。

（1） 鋼筋接頭試件進行抗拉強度試驗時，只允許試件斷于鋼筋母材上（即接頭長度以外區域，接頭長度定義為套筒長度加兩邊各兩倍鋼筋直徑的范圍），且試件的實測抗拉強度不小于鋼筋的抗拉強度標準值。進行單向拉伸試驗時，鋼筋接頭的殘余變形u0≤0.1 mm。HRB500級鋼筋的最大力下的接頭總伸長率Agt≥6%。

（2） 抗飛機撞擊機械接頭在高應力反復拉壓試驗殘余變形u20≤0.3，大變形反復拉壓試驗殘余變形u4≤0.3且u8≤0.6。即要求鋼筋在承受 2倍（5倍）于鋼筋屈服應變的大變形情況下，經受 4次（8次）反復拉壓后，滿足相應的變形要求。

抗飛機撞擊機械接頭的常規性能與 JGJ 107—2016中規定的Ⅰ級機械接頭的要求是相當的。

瞬間加載沖擊試驗是模擬外層安全殼和防護廠房在經受飛機撞擊時，撞擊力急劇增大，加載應變率達到 1.0 s-1，這種情況下混凝土和鋼筋的極限強度也會增大，高于靜載下得到的極限強度，極限強度的增大往往會導致變形能力的下降，因此，需要保證在撞擊過程中接頭的破壞必須發生在鋼筋母材上，滿足高加載速率下接頭總伸長率Agt≥5%的大變形要求。瞬間加載沖擊性能要求是抗飛機撞擊特有的性能要求，瞬間加載沖擊變形要求是與大飛機撞擊計算分析時采用的假設是一致的。即在大飛機撞擊計算分析時，如果鋼筋的應變率下超出5%，則認為鋼筋已斷裂失效。

目前國內的檢測實驗室只具備單向拉伸性能、高應力反復拉壓性能和大變形反復拉壓性能這些常規性能的試驗能力，“華龍一號”中抗飛機撞擊機械接頭的瞬間加載沖擊性能需要通過德國的實驗室獲得。

3 基于撞擊敏感性分析的特殊接頭使用范圍優化

通過對外層安全殼與防護廠房各墻體開展撞擊敏感性分析，研究廠房各墻體在受到大飛機撞擊時各區域的縱向鋼筋應變值，確定墻體撞擊的敏感區域，在該區域使用抗飛機撞擊用特殊鋼筋機械接頭，在非撞擊敏感區域使用普通機械接頭。

3.1 建立分析模型

首先需要建立APC殼的三維有限元非線性分析模型，在模型中混凝土用實體單元模擬。鋼筋用梁單元模擬，與混凝土單元耦合在一些，來模擬鋼筋混凝土的真實行為。飛機模型采用SPH粒子?？紤]到計算機性能的限制，為了減少計算時間，只有撞擊區域所在廠房采用上述方式來模擬鋼筋混凝土的非線性損傷行為，其他廠房采用分層殼單元來模擬，采用殼單元的廠房與采用實體單元的廠房通過節點插值約束來實現內力傳遞。由于鋼筋混凝土的非線性響應只發生在撞擊點附近區域，因此在工程中采用了對應于三個廠房的三個獨立的分析模型。APC殼計算分析模型如圖3所示。

3.2 確定撞擊分析工況并進行計算

在APC殼的設計中，考慮了商用大飛機的撞擊工況。商用大飛機的撞擊工況共16種，編號為LCC1～LCC16。

圖3 分析模型Fig.3 Analysis model

LCC1、LCC16作用于外層安全殼的筒體部分的中部。LCC2作用于外層安全殼的筒體部分和穹頂部分的交接處。LCC3作用于APC殼外掛水箱隔板與樓板的交接處。LCC4作用于外層安全殼的穹頂部分的跨中位置。LCC5作用于外層安全殼的穹頂部分半跨的中部位置。LCC4作用于外層安全殼的穹頂部分的跨中位置。LCC6作用于墻體KB0001的中部。LCC7作用于墻體 KB0002的中部。LCC8作用于墻體KB0003的中部。LCC9作用于墻體LB0002的中部。LCC10作用于墻體 LB0004的中部。LCC11作用于墻體LB0006的中部。LCC12作用于樓梯間墻體的中部。LCC13、LCC14和LCC15作用于所有暴露在外的關鍵屋面板的中部。撞擊示意圖如圖4～圖6所示。

圖4 大型商用飛機的撞擊位置（1）Fig.4 Impact position of large commercial aircraft（1）

圖5 大型商用飛機的撞擊位置（2）Fig.5 Impact position of large commercial aircraft（2）

圖6 大型商用飛機的撞擊位置（3）Fig.6 Impact position of large commercial aircraft（3）

3.3 抗飛機撞擊機械接頭的使用范圍優化

下面以工況 LCC6為例，對縱向鋼筋抗撞擊特殊接頭的優化過程進行具體說明。

LCC6作用于墻體KB0001，位置如圖1和圖 2所示，撞擊角度與水平面成 0°角。LCC6含三個子工況，分別撞擊墻體 KB0001上部、中部、下部。在撞擊墻體中部時，位移R最大時刻的位移云圖如圖 8所示，最大位移出現在0.349 s時刻，最大位移為0.468 m。

墻體中部在飛機撞擊工況下，內側縱筋的最大軸向力如圖9所示，外側縱筋的最大軸向力如圖10所示。墻KB0001的最大軸向力與最大應變如表1所示，墻 KB0001抗飛機撞擊機械接頭的使用范圍如表2所示。

圖7 工況LCC6撞擊示意圖Fig.7 General view of LCC6

圖8 工況LCC6撞擊方向位移云圖Fig.8 Displacement contours along impact direction of LCC6

圖9 墻KB0001內側縱筋的最大軸向力Fig.9 Maximum axial force of the inner side longitudinal rebar in KB0001

圖10 墻KB0001外側縱筋的最大軸向力Fig.10 Maximum axial force of the outer side longitudinal rebar in KB0001

表1 墻KB0001的最大軸向力與最大應變Table 1 Maximum axial force and stain of rebar in KB0001

表2 墻KB0001抗飛機撞擊機械接頭的使用范圍Table 2 Application range of mechanical joints for aircraft collision in KB0001

墻體縱筋采用HRB500級鋼筋，屈服強度標準值為500 MPa，彈性模量為200 GPa，由此可計算出極限彈性應變為 0.25%，即彈性應變閾值。飛機撞擊過程中，處于極限彈性應變以內的鋼筋，變形很小，普通的鋼筋機械接頭即可滿足要求，超出極限彈性應變時，材料進入了彈塑性受力階段，變形較大，需要使用抗飛機撞擊機械接頭，當鋼筋應變進一步超出塑性極限應變5%后，認為鋼筋已經斷裂。

表2匯總了LCC6工況下，撞擊墻體不同標高時，墻體內、外側縱筋超出彈性應變閾值的范圍，可以看出，在飛機撞擊區域附近和墻體根部的內外側縱向鋼筋應變均超過彈性應變閾值。這與概念分析的結果是一致的，即在飛機撞擊區域墻體的正彎矩區和墻體根部的負彎矩區受力最大，鋼筋進入彈塑性受力階段，機械接頭也相應采用特殊接頭。對于墻體根部區域，設計時采取加長插筋的方式，以覆蓋墻體根部非線性受力區域。因此，對于墻KB0001，抗飛機撞擊機械接頭的設計使用范圍為-6～40.7 m。

對于其他撞擊工況和其他構件，可采取相同的設計優化思路，開展撞擊敏感性分析，構件優化前、后的特殊接頭使用范圍如表4所示。值得注意的是，對于一些墻體（如 KB0006，KB0007），由于相鄰廠房的阻擋作用，墻體的大飛機撞擊區域較小，相應的墻體特殊接頭使用范圍也就更小。

3.4 優化工作成果

單臺機組通過撞擊敏感性分析后，APC殼各墻體特殊接頭使用范圍大大減小。與優化前的使用范圍對比結果如表 3～表 5所示，單臺機組優化面積總計14 531 m2，節約了工程造價約1 017.2萬元。

表3 KB防護廠房抗飛機撞擊用特殊鋼筋機械接頭優化面積統計Table 3 Application range of mechanical joints for aircraft collision in KB building

表4 LB防護廠房抗飛機撞擊用特殊鋼筋機械接頭優化面積統計Table 4 Application range of mechanical joints for aircraft collision in LB building

續表

表5 外層安全殼抗飛機撞擊用特殊鋼筋機械接頭優化面積統計Table 5 Application range of mechanical joints for aircraft collision in RB building

4 結論

采用的機械接頭性能要求與優化結果適用于“華龍一號”，對于采用雙層安全殼和外防護廠房的布置可直接應用，目前在福清核電5、6號及巴基斯坦K-2、K-3項目中已經得到應用。在未來的“華龍一號”改進方案中，電氣廠房和燃料廠房取消APC殼后，通過加厚的外墻抗飛機撞擊，利用本報告中方法可以進一步分析抗飛機撞擊特殊機械接頭的使用范圍，達到優化設計的效果，降低工程造價。