核電廠安全殼施工和運行階段分析范文

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《力學季刊雜志》2016年第一期

摘要：

核反應(yīng)堆安全殼是確保核電廠安全的關(guān)鍵設(shè)施，同時也是防止放射性物質(zhì)擴散的最后一道屏障．基于法國電力集團(EDF)進行的縮尺比例為1/3的無鋼襯里安全殼Benchmark試驗?zāi)Ｐ?，?yīng)用大型通用有限元軟件ABAQUS建立了其有限元模型．有限元模型中混凝土、普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋采用分離式建模；通過在預(yù)應(yīng)力筋單元上加預(yù)拉應(yīng)力的方法考慮了預(yù)拉應(yīng)力的作用．分析了該有限元模型在預(yù)應(yīng)力張拉過程以及0.52MPa的絕對內(nèi)壓下的受力性能，重點研究了模型穹頂和圓柱形筒壁的內(nèi)外表面在這兩種工況下的拉應(yīng)力分布．分析表明，該安全殼模型在兩種工況下基本處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力集中的區(qū)域是預(yù)應(yīng)力筋分布稀疏或預(yù)應(yīng)力值較小的區(qū)域，預(yù)應(yīng)力筋良好的起到了防止混凝土受拉的作用，能夠滿足設(shè)計要求；危險部位是穹頂與環(huán)梁連接處、洞口周邊、筒壁底部、筒壁和基礎(chǔ)底板相接處．安全殼結(jié)構(gòu)的主要用途是包容發(fā)生設(shè)計基準失水事故產(chǎn)生的輻射物質(zhì)，同時防御外部災(zāi)害的襲擊等，具有承受內(nèi)壓并不出現(xiàn)混凝土裂縫的能力．對安全殼再內(nèi)壓荷載下的研究得到了國內(nèi)外的廣泛重視．2001年張新斌等[1]針對第三代預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼進行了內(nèi)壓作用下的1:10模型試驗，實驗表明安全殼在內(nèi)壓荷載下具有足夠的安全儲備．2002年陳勤等[2]采用空間曲面膜單元模擬預(yù)應(yīng)力筋．同年夏祖諷等[3]采用桿單元模擬預(yù)應(yīng)力筋對先進核電廠安全殼進行了有限元分析；Yonezawa等[4]也采用桿單元進行了類似的分析．2007年張會東等[5]采用正交異性膜單元模擬預(yù)應(yīng)力筋，考慮了預(yù)應(yīng)力隨時間的變化，確定了安全殼的內(nèi)壓承載力．同年錢浩等[6]對安全殼再循環(huán)地坑濾網(wǎng)進行了應(yīng)力分析．2009年錢浩等[7]分析了某安全殼的人員閘門，指出了原設(shè)計的不足并提出了改進方案．2012年孫鋒等[8]應(yīng)用ANSYS軟件中的膜單元模擬預(yù)應(yīng)力筋，分析了安全殼在內(nèi)壓作用的位移、應(yīng)變情況．本文研究了法國某型雙殼壓水堆的安全殼結(jié)構(gòu)，采用通用大型有限元軟件ABAQUS建立了EDF進行的1/3縮尺比例benchmark試驗?zāi)Ｐ停M行了預(yù)應(yīng)力張拉和0.52MPa的內(nèi)壓荷載下的應(yīng)力分析，研究了實驗?zāi)Ｐ驮谶@兩種工況下的受力性能，以研究其易開裂部位，從而指導(dǎo)設(shè)計．

1安全殼Benchmark試驗概述

EDF提出的Benchmark試驗?zāi)Ｐ头譃閮?nèi)殼和外殼，外殼主要作用是維護和保證安全殼在飛機撞擊下的安全，與分析考慮的工況無關(guān)，故未考慮外殼．內(nèi)殼穹頂采用球面形，通過環(huán)梁與圓柱形筒壁相連接．筒壁和穹頂均為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)．

2安全殼Benchmark模型

本文使用ABAQUS建模，采用混凝土、預(yù)應(yīng)力筋、普通鋼筋分離式建模．邊界條件為，在模型底部施加固定端，如圖2所示．模型加載方式如下：工況1，安全殼內(nèi)外表面均施加0.1MPa的均布壓力，在預(yù)應(yīng)力鋼筋上施加扣除了第一批預(yù)應(yīng)力損失的預(yù)拉應(yīng)力，模擬預(yù)應(yīng)力張拉過程．工況2，在工況1的基礎(chǔ)上，內(nèi)表面施加的均布壓應(yīng)力增加到0.52MPa，外表面維持0.1MPa的均布壓力，模擬打壓試驗．

2.1混凝土模型參考文獻[9]采用三維八節(jié)點減縮單元(C3D8R)模擬混凝土，材料模型采用ABAQUS中的塑性損傷模型，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]中建議的單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖4~5所示．為準確模擬試驗，根據(jù)實測的不同標高處混凝土材料參數(shù)建立混凝土模型，有限元模型見圖2．其中，穹頂最高處標高19.80m，環(huán)梁頂標高16.65m，筒壁底標高-1.00m，筒壁墻厚0.40m，內(nèi)殼直徑15.40m，穹頂厚0.30m，底板厚2.00m，基礎(chǔ)底板厚2.50m，內(nèi)外殼間距1.80m，幾何形狀見圖1．混凝土單元51560個，六面體單元邊長約0.4m。

2.2普通鋼筋模型參考文獻[9]采用三維兩節(jié)點桁架單元(T3D2)模擬普通鋼筋，材料模型采用兩折線理想彈塑性模型，屈服強度為500MPa，彈性模量為200GPa．有限元模型如圖3所示．應(yīng)用ABAQUS中的embedded（嵌入）命令使之與混凝土共同工作．普通鋼筋單元220717個，桿單元長度約0.3m至0.8m．

2.3預(yù)應(yīng)力筋模型預(yù)應(yīng)力筋有四種幾何形狀，穹頂曲線預(yù)應(yīng)力筋（D組）、穹頂和墻體gamma形預(yù)應(yīng)力筋（G組）、墻體水平環(huán)狀預(yù)應(yīng)力筋（H組）、墻體豎直預(yù)應(yīng)力筋（V組），幾何形狀如圖4所示．預(yù)應(yīng)力筋張拉方向和錨固位置如下：D組兩端張拉，G組穹頂曲線段一端張拉，H組在兩個扶壁柱處兩端張拉，V組環(huán)梁處張拉．預(yù)應(yīng)力筋單元15,770個，桿單元長度約0.68m；預(yù)應(yīng)力筋材料參數(shù)見表1預(yù)應(yīng)力筋材料模型采用兩折線理想彈塑性模型，參考文獻[11]，采用三維兩節(jié)點桁架單元(T3D2)，應(yīng)用ABAQUS中embedded（嵌入）命令使之與混凝土共同工作．應(yīng)用ABAQUS中的*predefinedfield關(guān)鍵字為預(yù)應(yīng)力單元施加預(yù)應(yīng)力．參考文獻[12]，考慮預(yù)應(yīng)力損失，按我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的計算公式計算預(yù)應(yīng)力損失；預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力損失值和實際預(yù)應(yīng)力值延長度變化如圖7所示．

3計算結(jié)果分析

分別進行了預(yù)應(yīng)力張拉（工況1）和0.52MPa內(nèi)壓打壓試驗（工況2）的有限元分析．

3.1穹頂計算結(jié)果穹頂內(nèi)外表面兩種工況下的最大主應(yīng)力即最大拉應(yīng)力云圖如圖8所示．穹頂預(yù)應(yīng)力筋分布如圖9(a)所示．從圖8可以發(fā)現(xiàn)，穹頂部位在兩種工況下的拉應(yīng)力范圍均較?。畧D8(a)(c)說明內(nèi)表面幾乎全部處于受壓狀態(tài)；由圖8(b)可以看出穹頂外表面工況1受拉面積約30%，最大的拉應(yīng)力為2.099MPa，由圖8(d)可以看出穹頂外表面工況2受拉面積5%左右，拉應(yīng)力小于工況1，未達到混凝土抗拉強度．對比圖9(a)可以發(fā)現(xiàn)，混凝土拉應(yīng)力較大的位置恰是兩個方向預(yù)應(yīng)力筋交匯的角部，此處預(yù)應(yīng)力筋給混凝土的兩個方向的預(yù)拉應(yīng)力不能互相抵消．從以上分析可知，對穹頂而言危險工況是預(yù)應(yīng)力張拉過程，原因為穹頂中為配置普通鋼筋，預(yù)拉應(yīng)力可能使外表面拉裂．

3.2筒壁計算結(jié)果筒壁拉應(yīng)力分布如圖10、圖11所示．筒壁預(yù)應(yīng)力筋拉應(yīng)力分布如圖9(b)(c)所示如圖10、11所示，筒壁內(nèi)表面拉應(yīng)力區(qū)面積在5%左右，外表面拉應(yīng)力區(qū)稍大，在10%左右．工況1最大拉應(yīng)力為1.718MPa，工況2最大拉應(yīng)力為2.76MPa，出現(xiàn)在內(nèi)表面扶壁柱附近和外表面設(shè)備洞口兩側(cè)，未達到混凝土抗拉強度．工況1內(nèi)表面筒壁上1/3部分存在條狀拉應(yīng)力帶，說明預(yù)應(yīng)力張拉過程中筒壁該部位可能出現(xiàn)裂縫．其他拉應(yīng)力集中部位是洞口周邊和外表面筒壁上側(cè)與環(huán)梁想接區(qū)域和下側(cè)與底板想接區(qū)域．工況2筒壁上部1/3處的條狀拉應(yīng)力帶消失；筒壁的拉應(yīng)力區(qū)比工況1的拉應(yīng)力區(qū)有明顯增大，增大的區(qū)域為內(nèi)表面洞口上下、外表面洞口兩側(cè)和扶壁柱周邊以及筒壁上側(cè)與環(huán)梁相接的區(qū)域和下側(cè)與底板相接的區(qū)域．從以上分析可知，對筒壁而言，危險工況為內(nèi)壓工況．3.3筏板計算結(jié)果筏板典型剖面拉應(yīng)力分布見圖12．如圖12(a)所示，筒壁底部出現(xiàn)斜條狀拉應(yīng)力區(qū)，與水平夾角接近45°，最大拉應(yīng)力2.428MPa，易產(chǎn)生45°斜裂縫．對比圖12(a)(b)可知，基礎(chǔ)底板中的拉應(yīng)力分布較廣，且筒壁和基礎(chǔ)底板相接的部位拉應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力分別為1.986MPa，是兩種工況下的危險部位．

4結(jié)論

結(jié)合EDF的benchmark項目，應(yīng)用通用有限元軟件ABAQUS，建立某雙殼壓水堆核電站安全殼內(nèi)殼的精細有限元模型，進行了安全殼在預(yù)應(yīng)力張拉和0.52MPa內(nèi)壓荷載工況下的應(yīng)力分析，得到如下結(jié)論：(1)預(yù)應(yīng)力張拉過程中，安全殼的易開裂位置是穹頂四周和環(huán)梁相接的部位以及洞口周邊．(2)內(nèi)壓荷載下，安全殼易開裂位置是洞口四周、扶壁柱四周和筒壁和基礎(chǔ)底板相接的部位．其中扶壁柱兩側(cè)拉應(yīng)力凸出，但設(shè)計中未見加強，建議設(shè)計時也應(yīng)在扶壁柱兩側(cè)配置加強鋼筋．(3)其他拉應(yīng)力主要出現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力筋分布較少的區(qū)域，在這些區(qū)域配置加強鋼筋是極其必要的．(4)安全殼基本處于受壓狀態(tài)，說明預(yù)應(yīng)力筋未消壓，安全殼的設(shè)計是合理的，安全殼在計算工況下可以認為是安全的．

作者：王恒 郭全全 單位：北京航空航天大學 交通科學與工程學院