反應(yīng)堆廠房樓板模塊分析方法改進(jìn)研究

王 波,顏 彥

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200233)

模塊化建造施工是第三代先進(jìn)壓水堆核電廠采用的一種先進(jìn)的施工理念，它對(duì)傳統(tǒng)的施工理念進(jìn)行優(yōu)化，模塊化建造就是在工程建造中最大化的利用場(chǎng)外進(jìn)行預(yù)制和組裝，從而減少現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)，使廠內(nèi)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(zhì)量，將土建、安裝、調(diào)試等工序進(jìn)行深度交叉，從而縮短核電施工建設(shè)工期，進(jìn)而降低造價(jià)[4]。模塊化建造施工在依托項(xiàng)目是初次應(yīng)用，設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中積累了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)，依托項(xiàng)目建設(shè)中的與模塊相關(guān)經(jīng)驗(yàn)反饋可運(yùn)用到后續(xù)機(jī)組的分析設(shè)計(jì)中。

第三代先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組的結(jié)構(gòu)模塊形式有多種，設(shè)置樓板模塊，是當(dāng)土建施工時(shí)房間內(nèi)已設(shè)置設(shè)備模塊，如果再要在設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)樓板模塊典型截面Fig.1 Typical section of floor module

堆內(nèi)樓板模塊的結(jié)構(gòu)形式比較特殊，為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，之前的計(jì)算分析方法是直接采用核島內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型(CIS模型)單元進(jìn)行配筋計(jì)算及底部鋼板需求量校核，此種方法的缺點(diǎn)是無(wú)法直接對(duì)樓板模塊的鋼梁進(jìn)行應(yīng)力比、連接強(qiáng)度及端部預(yù)埋件的驗(yàn)算，且無(wú)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(jì)算結(jié)果均來(lái)自于CIS核島模型分析，無(wú)法實(shí)現(xiàn)后續(xù)的模型局部修改及優(yōu)化設(shè)計(jì)，且存在較大的尺度誤差。因此，針對(duì)堆內(nèi)樓板模塊，有必要采用精細(xì)模型的分析計(jì)算方法，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范條文僅提供了較籠統(tǒng)的指導(dǎo)意見(jiàn)，尚缺少詳實(shí)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件。

1 樓板模塊分析方法的改進(jìn)

原有的分析方法，采用的是CIS模型抽取包絡(luò)工況的內(nèi)力結(jié)果配筋+手算鋼梁的方式。存在幾個(gè)問(wèn)題：

(1) 存在尺度誤差。CA樓板模塊相對(duì)整個(gè)核島內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是很小一部分，而且對(duì)于CA模塊而言，單元的劃分尺寸過(guò)大。利用整體模型的分析結(jié)果來(lái)對(duì)局部的CA模塊進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)驗(yàn)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(jì)算不通過(guò)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(shù)風(fēng)險(xiǎn)。如個(gè)別模塊樓板洞口布置在后續(xù)機(jī)組中有較大的變動(dòng)。

(4)CIS模型無(wú)法直接對(duì)樓板模塊的鋼梁進(jìn)行應(yīng)力比、連接強(qiáng)度及端部預(yù)埋件進(jìn)行驗(yàn)算。

針對(duì)原有采用CIS模型對(duì)CA樓板模塊分析存在的問(wèn)題，采用下列方案解決：

(1)重新建立參數(shù)化的CA樓板模塊有限元模型。特別是對(duì)于設(shè)計(jì)變動(dòng)較大的CA模塊，參數(shù)化建?？梢苑奖愕貙?duì)模型進(jìn)行修改及重新分析設(shè)計(jì)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供便利；

(2)采用合適的單元?jiǎng)澐殖叨?。針?duì)不同的CA樓板模塊的大小，制定合適的單元?jiǎng)澐殖叨?，減小因單元?jiǎng)澐謳?lái)的計(jì)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(jìn)行分析，可以便于后處理直接對(duì)鋼梁及連接進(jìn)行校驗(yàn)。

CIS模型與改進(jìn)的精細(xì)模型的對(duì)比示例如圖2所示。

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

1.1 不同工況下的結(jié)構(gòu)假定

對(duì)于堆內(nèi)樓板模塊，其計(jì)算分析需考慮其受力的兩個(gè)階段：

(1)混凝土凝固前：鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與混凝土一起形成組合結(jié)構(gòu)，承載自重及樓面其他荷載，即為正常運(yùn)行和事故狀態(tài)工況。

根據(jù)CA樓板模塊不同工況下的分析側(cè)重點(diǎn)以及在包絡(luò)設(shè)計(jì)的概念的基礎(chǔ)上，在建立CA樓板模塊精細(xì)模型時(shí)，采用了如表1所示的五種計(jì)算假定及邊界條件的參數(shù)化精細(xì)模型進(jìn)行分析。

表1 堆內(nèi)CA樓板模塊五種分析模型

1.1.1 五種參數(shù)化模型的介紹

建立ANSYS有限元精細(xì)模型的主要單元可按下述選?。?/p>

(1)鋼梁可采用三維梁?jiǎn)卧M；

(2)樓板可采用三維殼單元模擬。

Model 1和4由于均設(shè)定為純鋼結(jié)構(gòu)，樓板僅考慮按鋼板建模(用AISC N690評(píng)定)；

Model 2、3和5則均設(shè)定為鋼-砼組合結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化模型，將底部鋼板等效成部分混凝土來(lái)考慮，樓板按等效后的混凝土板建模(對(duì)于頂部配筋及底部鋼板，用ACI 349評(píng)定；對(duì)于鋼梁用AISC N690評(píng)定)。

1.1.2 考慮溫度工況的邊界條件引入

與一般的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，堆內(nèi)CA樓板模塊的結(jié)構(gòu)需要考慮事故工況下較高的溫度荷載(如水淹溫度工況)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故下，對(duì)于三代核電機(jī)組反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)部各鋼平臺(tái)構(gòu)件所承受的事故峰值溫度，相對(duì)于正常運(yùn)行狀態(tài)下的溫度有近100 ℃的溫度上升[5]，使得反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件受熱膨脹，產(chǎn)生溫度內(nèi)力。從已有的分析結(jié)果來(lái)看，事故溫度內(nèi)力很高，而且較其他工況下的內(nèi)力(尤其是桿件軸力)高出很多，往往僅在事故溫度工況下，結(jié)構(gòu)承載力已經(jīng)無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。這給組合結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的困難。溫度作用是核島廠房混凝土結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性工況。依托項(xiàng)目溫度工況引起大量設(shè)計(jì)變更，因此有必要研究分析溫度工況并合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在高溫下，材料的強(qiáng)度等力學(xué)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(kāi)裂會(huì)使結(jié)構(gòu)剛度降低，常規(guī)設(shè)計(jì)是采用溫度折減系數(shù)法進(jìn)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(duì)結(jié)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(duì)應(yīng)樓板的邊界條件，達(dá)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(guān)鍵。

根據(jù)CA樓板模塊的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)， 對(duì)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(jiǎn)單地定義成鉸接或固接，而是需要提取內(nèi)部結(jié)構(gòu)CIS模型中該樓板在水淹溫度工況下的六個(gè)自由度方向的邊界位移(UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ)，然后引入精細(xì)模型作為水淹溫度下的位移荷載來(lái)考慮。由圖2可見(jiàn)，CIS模型單元與精細(xì)模型存在明顯的網(wǎng)格差異，需要將提取的位移響應(yīng)插值后方能引入精細(xì)模型。本文使用由Matlab編制的邊界位移插值程序，可得到精細(xì)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(diǎn)的位移Fig.4 Displacement of nodes in CIS model under flood temperature condition

圖5 精細(xì)模型邊界節(jié)點(diǎn)位移插值結(jié)果Fig.5 Displacement interpolation results of boundary nodes of fine model

圖6 精細(xì)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(luò)設(shè)計(jì)要求

堆內(nèi)CA樓板模塊在后處理中需要驗(yàn)算的內(nèi)容大致有：鋼梁應(yīng)力比校驗(yàn)、板頂配筋計(jì)算、底部鋼板需求量驗(yàn)算、鋼梁端部錨固件的驗(yàn)算。根據(jù)表1中的模型假定，針對(duì)不同的驗(yàn)算內(nèi)容，所需包絡(luò)的模型分析大致可分為三種類別：

2 結(jié)構(gòu)評(píng)定內(nèi)容

堆內(nèi)CA樓板模塊的驗(yàn)收準(zhǔn)則主要分為兩部分內(nèi)容，分別是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件(包括型鋼和連接節(jié)點(diǎn))的驗(yàn)算和混凝土配筋、支座預(yù)埋件的驗(yàn)算。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件(包括型鋼和連接節(jié)點(diǎn))，相關(guān)力學(xué)驗(yàn)算按照AISC N690規(guī)范中的LRFD(Load Resistance Factor Design)方法進(jìn)行；對(duì)于混凝土配筋(包括底部鋼板)以及支座預(yù)埋件，由于其埋置在混凝土內(nèi)，因此相關(guān)力學(xué)驗(yàn)算按照ACI 349規(guī)范進(jìn)行。

(1)鋼梁驗(yàn)算時(shí)，讀取每個(gè)工況下每個(gè)鋼梁?jiǎn)卧膽?yīng)力比，并取包絡(luò)值進(jìn)行驗(yàn)算。由于鋼梁周圍實(shí)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(yīng)力比驗(yàn)算在ANSYS軟件中完成，驗(yàn)算方法采用AISC N690規(guī)范中的LRFD方法，驗(yàn)算公式如下：

Ru≤φRn

式中：Ru——構(gòu)件的需求強(qiáng)度，根據(jù)有限元分析包絡(luò)結(jié)果獲得；

Rn——構(gòu)件的名義強(qiáng)度，構(gòu)件的各個(gè)名義強(qiáng)度可根據(jù)AISC N690規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算獲得；

φ——AISC N690規(guī)范中規(guī)定的抗力系數(shù)；

φRn——結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

在使用AISC N690規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗(yàn)算時(shí)對(duì)上述驗(yàn)算公式進(jìn)行了調(diào)整，以應(yīng)力比的形式進(jìn)行驗(yàn)算，公式如下：

其中ρ為構(gòu)件各工況下臨界截面的應(yīng)力比(實(shí)際應(yīng)為構(gòu)件的內(nèi)力比值，但為了符合稱呼習(xí)慣，還是沿用應(yīng)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(jìn)行配筋計(jì)算。樓板上層鋼筋與周圍模塊墻體相接時(shí)，通過(guò)鋼筋機(jī)械接頭直接錨入模塊墻體中。樓板底部的鋼板通過(guò)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(diǎn)見(jiàn)圖7所示。板底從支座處伸出的鋼筋需要和帶有剪力釘?shù)匿摪暹M(jìn)行搭接，搭接鋼筋的面積根據(jù)分析模型計(jì)算出的底部鋼板需求量，按截面抵抗彎矩力臂的折減進(jìn)行計(jì)算。

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

3 樓板模塊數(shù)字化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)介

結(jié)合依托項(xiàng)目堆內(nèi)CA樓板模塊分析計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，利用Matlab的GUI編程[7]，開(kāi)發(fā)了堆內(nèi)CA樓板模塊數(shù)字化設(shè)計(jì)流程及工具，界面如圖8～圖10所示。

圖8 總體參數(shù)設(shè)置界面Fig.8 Overall parameter setting interface

圖9 模型參數(shù)設(shè)置界面Fig.9 Model parameter setting interface

圖10 操作及校驗(yàn)界面Fig.10 Operation and calibration interface

主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)自動(dòng)生成CA樓板模塊ANSYS命令流輸入文件包(包括五種參數(shù)化精細(xì)模型、荷載施加、荷載組合、配筋計(jì)算參數(shù)等)。

(2)通過(guò)該工具集成的控制鍵調(diào)用ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算、處理分析結(jié)果。

(3)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)諸如鋼梁應(yīng)力比結(jié)果的校驗(yàn)、配筋結(jié)果的包絡(luò)、鋼梁支座預(yù)埋件的計(jì)算等工作內(nèi)容，并整理校驗(yàn)結(jié)果。

利用該數(shù)字化設(shè)計(jì)工具，可減少計(jì)算分析人員的人因錯(cuò)誤，并大幅度的提高堆內(nèi)樓板模塊分析計(jì)算的工作效率。

4 結(jié)論

反應(yīng)堆廠房樓板模塊分析方法的改進(jìn)是在依托項(xiàng)目堆內(nèi)CA樓板模塊設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)堆內(nèi)CA樓板模塊的計(jì)算分析流程及技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)、提煉和改進(jìn)，提出的利用五種精細(xì)模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)諸如樓板模塊各工況下的力學(xué)分析驗(yàn)算、構(gòu)件及配筋校驗(yàn)，連接節(jié)點(diǎn)校核、預(yù)埋件驗(yàn)算等內(nèi)容，本文對(duì)其中關(guān)鍵的幾個(gè)技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。針對(duì)該分析方法，開(kāi)發(fā)的數(shù)字化設(shè)計(jì)工具，規(guī)范了堆內(nèi)樓板模塊分析計(jì)算的各步驟，旨在為設(shè)計(jì)人員在后續(xù)機(jī)組的堆內(nèi)CA樓板模塊分析設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。