壓水堆核電廠大型設備套筒型螺栓錨固系統(tǒng)受力狀態(tài)分析與數(shù)值模擬

李葉敏，白明鑫，程 亮

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518172)

1 錨固系統(tǒng)介紹

設備、系統(tǒng)是實現(xiàn)核電廠功能的主要組成，土建結構為設備、系統(tǒng)提供支撐，設備、系統(tǒng)的荷載要可靠地傳到結構上，因此，設備基礎及錨固設計是結構設計極其重要的一個環(huán)節(jié)。核島廠房內(nèi)的蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器等主設備，具有重量大、體型高的特點，其基礎及支承在極限安全地震及一回路冷卻劑喪失事故(LOCA)工況下的拉力高達數(shù)百噸，主給水流量控制系統(tǒng)(ARE)、主蒸汽系統(tǒng)(VVP)等重要管道的防甩限制件在事故工況下的甩擊荷載，也往往高達數(shù)百噸，這些設備和系統(tǒng)、管道都承擔著與核安全相關的重要功能，與核島土建結構構件的連接和錨固的可靠，是這類設備和系統(tǒng)發(fā)揮作用的前提條件。

一般工業(yè)設備使用的地腳螺栓，主要通過螺桿的錨固深度、間距、基礎尺寸等構造措施來保證承載力，在拉力作用下，混凝土的主要破壞形態(tài)為錐體破壞、劈裂破壞、邊緣破壞(見圖1)，均屬于混凝土受拉破壞，受限于混凝土的抗拉強度低，其受拉承載力一般不高，難以滿足核島大型設備荷載大、可靠性高的要求，同時，受制于廠房空間及設備、系統(tǒng)布置，普通的地腳螺栓錨固系統(tǒng)也難以為大型設備提供足夠的基礎尺寸。

圖1 普通地腳螺栓混凝土受拉破壞示意圖Fig.1 Failure of concrete under tension loading for normal anchor bolts

壓水堆核電廠中的蒸汽發(fā)生器(見圖2)、主泵、穩(wěn)壓器等主設備的支承錨固系統(tǒng)均采用如圖3所示的套筒型螺栓錨固系統(tǒng)，由受壓混凝土、薄壁套筒、螺桿、螺母、端板、基板、可壓縮密封材料、保護罩等組成，其中混凝土、螺桿、螺母、端板、基板是錨固系統(tǒng)的主要受力部件，薄壁套筒用于成孔，在對螺桿張拉時，避免混凝土與螺桿之間的黏結力，可壓縮密封材料起密封作用，防止灌漿或二次澆筑混凝土時水泥漿流入到套管內(nèi)，在施工時還需灌入石蠟或油脂防腐材料，對螺桿起保護作用。對于一些重要設備的螺桿，有在役檢查和更換要求，設計成穿樓板或墻體的套筒型螺栓(見圖4)，克服了普通地腳螺栓無法更換的缺點。

圖2 蒸汽發(fā)生器支承示意Fig.2 Supports of steam generator1—上部水平支承；2—垂直支承

圖3 套筒型螺栓組成Fig.3 Anchor bolt with sleeves

圖4 套筒型螺栓錨固系統(tǒng)(穿墻或板)Fig.4 Anchor bolt with sleeves(crossing wall or slab)

套筒型螺栓錨固系統(tǒng)的主要施工步驟如下：

1)土建施工階段，在墻體或樓板中預埋薄壁套管，若為非穿墻(板)的螺栓，需要將端板、螺桿等提前組裝預埋；

2)安裝螺桿、端板、基板等部件；

3)在基板底部灌漿，使基板與端板之間填充混凝土及灌漿料；

4)使用張拉設備，對螺桿進行張拉，張拉后擰緊螺母，同時，混凝土施加預緊力。

2 各階段受力狀態(tài)分析

與普通的地腳螺栓相比，套筒型螺栓錨固系統(tǒng)最重要的特征是對錨栓施加很大的預緊力P，螺桿周圍混凝土承受較大的預壓力。在外部不同荷載類型作用下，錨固系統(tǒng)呈不同的受力狀態(tài)，與普通地腳螺栓破壞模式完全不同。

2.1 安裝階段

在安裝階段，需要對螺桿施加預拉力P，錨固系統(tǒng)的受力狀態(tài)為混凝土受壓，螺桿受拉，內(nèi)力均為P，混凝土端板及基板處混凝土所受到的壓應力σc=P/A，螺桿拉應力σs=P/Abolt，受壓混凝土的主應力跡線呈現(xiàn)對稱的核桃體形狀，如圖5所示。

圖5 緊固階段混凝土主壓應力跡線Fig.5 Principle stress distribution of concrete during the tightening

2.2 外荷載為拉力

2.2.1 理論分析模型

為研究套筒型螺栓錨固系統(tǒng)的受力特性，建立套筒型螺栓錨固系統(tǒng)的理論分析模型，用于分析錨固系統(tǒng)中混凝土、螺桿等的受力情況，假設如下：

1)端板、基板、及混凝土在承受預緊力及外荷載作用下，處于彈性工作階段；

2)混凝土處于單軸應力狀態(tài)，只考慮基板、端板與混凝土接觸界面的應力。

首先以受壓的端板、基板及其中間的混凝土為研究對象，假設等效彈性模量為Ee，混凝土的受壓面積為Ae。根據(jù)材料力學[1]胡克定律，當整體模型承受軸力Fe作用時，模型的變形量為：

(1)

根據(jù)變形協(xié)調，模型的變形量為基板、混凝土及端板的變形量之和，即

(2)

由此得到模型的等效線剛度

(3)

式中，H為模型總厚度，H=th+h+tb；Eh、Ec、Eb為端板、混凝土、基板的彈性模量；h為端板與基板之間混凝土厚度，th、tb為端板、基板的厚度。

取錨固系統(tǒng)整體作為研究對象，建立套筒型螺栓錨固系統(tǒng)的理論分析模型(見圖6)，當錨固系統(tǒng)受外力F時，其變形量

圖6 套筒型螺栓錨固系統(tǒng)的理論分析模型Fig.6 Theoretical analysis model of Anchor bolt with sleeves

圖7 錨固系統(tǒng)受拉時受力分析示意Fig.7 Force analysis of anchor system under tension loading

(4)

式中，Ebolt為螺桿的彈性模量，Abolt為螺桿的有效截面積。

根據(jù)胡克定律，可得到螺桿的內(nèi)力變化

(5)

令λ=kbolt/(kbolt+ke)，其中kbolt為螺桿的線剛度kbolt=EboltAbolt/H，則ΔF=λF。

2.2.2 外荷載為拉力的受力分析

當錨固系統(tǒng)受到的外荷載為拉力FET時，分別取基板、端板為研究對象，見圖8(a)、(b)，根據(jù)力的平衡，有：

圖8 受拉時混凝土主壓應力跡線Fig.8 Principle Stress Distribution of concretewith external tension load

Fbolt=Fcb+FET

(6)

Fbolt=Fch

(7)

根據(jù)第2.1節(jié)的理論分析，螺桿受到的拉力為P+λFET，由此可推導出基板處混凝土所受的壓力

F′cb=P-(1-λ)FET

(8)

端板處混凝土受到壓力

F′ch=P+λFET

(9)

同時，為避免由于預緊力P過小，導致出現(xiàn)混凝土的受拉破壞，基板與混凝土分離，不滿足彈性工作階段，應滿足F′cb>0，即

(10)

根據(jù)上述分析，當錨固系統(tǒng)受到拉力時，螺桿受到的拉力和端板處混凝土受到的壓力將增大λFET，基板處混凝土受到的壓力將減小，混凝土仍保持受壓狀態(tài)，混凝土主壓應力跡線如圖8所示，其壓應力跡線呈現(xiàn)端板處稠密，并向兩側擴張的趨勢。

2.3 錨固系統(tǒng)受外荷載為壓力

當錨固系統(tǒng)受到外荷載為壓力FEC時，根據(jù)2.2.1節(jié)分析，螺栓受到的拉力為P-λFEC，取基板為研究對象，其受力示意如圖9所示，根據(jù)力的平衡，有

圖9 錨固系統(tǒng)受壓時基板受力分析示意Fig.9 Force analysis of base plate under pressure loading

Fcb=Fbolt+FEC

(11)

基板處混凝土承受的壓力為

F′cb=P+(1-λ)FEC

(12)

取端板為研究對象，得到端板處混凝土壓力

F′ch=P-λFEC

(13)

當錨固系統(tǒng)受到壓力時，螺桿受到的拉力和端板處混凝土受到的壓力將減小，基板處混凝土受到的壓力將增大，混凝土仍保持受壓狀態(tài)，混凝土的主壓應力跡線圖如圖10所示，其壓應力跡線在基板處更加密集。

圖10 受壓時混凝土主壓應力跡線Fig.10 Principle Stress Distribution of concretewith external compressive load

不同階段螺桿拉力和不同階段端極，基板處混凝土壓力數(shù)值分別見表1、表2。

表1 不同階段螺桿拉力Table 1 Tensile force of boltat different phases

表2 不同階段端板、基板處混凝土的壓力Table 2 Concrete pressure at the head plate and base plate of anchor bolt with sleeves system at different phases

3 數(shù)值模擬分析

采用ansys軟件對套筒型螺栓錨固系統(tǒng)的受力進行數(shù)值分析。

3.1 建模

對套筒型螺栓錨固系統(tǒng)的各階段的受力狀態(tài)進行分析，采用shell43單元模擬樓板、端板及基板，其中端板、基板及混凝土的材料性能參數(shù)見表3、表4，樓板厚度為0.8 m，端板和基板的尺寸均為0.4 m×0.4 m，端板和基板的厚度為0.06 m，螺桿直徑為80 mm。

表3 端板、基板及螺桿彈性模量Table 3 Elasticity modulus of head plates，base plates and bolts

表4 混凝土參數(shù)[2]Table 4 Concrete parameters

3.2 邊界條件及加載

網(wǎng)格劃分后，約束樓板四周節(jié)點的6個自由度(3個平動自由度，3個轉動自由度)，在計算時，采用分步加載，首先在基板和端板的表面施加預緊力，再分別在基板上施加拉力和壓力，模擬錨固系統(tǒng)受外荷載為拉力和壓力。

3.3 模擬結果分析

Ansys有限元模擬結果顯示，在施工緊固階段，套筒型螺栓錨固系統(tǒng)混凝土呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，壓應力跡線呈對稱的核桃體形狀，在局壓下，有橫向拉應力。

當在端板處施加拉力時，錨固系統(tǒng)間的混凝土仍然受壓，但端板處的混凝土的壓力將增大，基板處的混凝土壓力將減小。

當在端板上施加壓力時，端板處的混凝土的壓力將增大，基板處的混凝土壓力將減小。

有限元模擬結果與理論分析結果基本吻合，套筒型螺栓錨固系統(tǒng)在受到外荷載時，混凝土都受壓，僅對荷載類型不同，不同部位的混凝土所受的壓力大小不一致，其內(nèi)部應力呈現(xiàn)不同的形態(tài)詳見圖11～圖15。

圖11 緊固階段Y向應力(平行于螺桿方向)Fig.11 Stress of concretein Y direction during the tightening

圖12 緊固階段X向壓力(垂直螺桿方向)Fig.12 Stress of concretein X direction during the tightening

圖13 緊固階段主應力Fig.13 Principle Stress Distribution of concrete during the tightening

圖14 外荷載為拉力下的混凝土主應力云圖Fig.14 Principle Stress of concretewith external tension load

圖15 外荷載為壓力下的混凝土主應力云圖Fig.15 Principle Stress of concretewith external compressive load

4 結論

通過對帶預緊力套筒型螺栓錨固系統(tǒng)的各階段受力分析及數(shù)值模擬的研究表明：

1)套筒型螺栓錨固系統(tǒng)由于施加了較大的預緊力，各種工況下，螺桿始終受到拉力，而混凝土保持受壓狀態(tài)，其破壞形態(tài)與普通地腳螺栓完全不同；

2)當錨固系統(tǒng)外荷載為拉力FET時，螺桿的拉力增大，端板處混凝土所承受的壓力也增大，而基板處的混凝土所受的壓力減小；

3)當外荷載為壓力FEC時，螺桿所承受的拉力減小，端板處混凝土所承受的壓力將減小，基板處的混凝土壓力增大；

4)套筒型螺栓錨固系統(tǒng)充分利用螺桿的受拉性能與混凝土的受壓性能，承載力不受凝土受拉破壞形態(tài)控制，比較適用于對受拉承載力要求較高的核電廠大型設備的錨固。