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        核電廠跌落井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

        2015-05-23 08:43:30侯樹強(qiáng)
        中國(guó)核電 2015年1期
        關(guān)鍵詞:腰梁壁柱暗渠

        王 芳,侯樹強(qiáng)

        (中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

        某核電廠跌落井位于核島廠房的東南側(cè),包括跌落井、排水暗渠及閘門井等設(shè)施。跌落井是循環(huán)水系統(tǒng)的排水虹吸井,上游連接循環(huán)水系統(tǒng)的排水廊道,井內(nèi)設(shè)有溢流堰,循環(huán)水排水經(jīng)溢流堰,排至下游的排水暗渠,最后排入大海。

        排水暗渠是循環(huán)后海水、低放廢水、廠區(qū)雨水的排出渠道,在排出口處設(shè)有閘門井,閘門用于跌落井和排水暗渠檢修。

        本工程CC跌落井的平面尺寸為46.5 m(長(zhǎng))×37.5 m(寬),溢流堰頂標(biāo)高為-9.99 m,溢流堰堰前深為-19.05 m,堰后深為-14.65 m,內(nèi)部最高設(shè)計(jì)水位為-4.61 m。CC跌落井內(nèi)分兩格設(shè)置,每格對(duì)應(yīng)一臺(tái)機(jī)組的兩條管溝,管溝斷面為4 m(寬)×3.5 m(高),每格跌落井后與一條排水暗渠相連,排水暗渠斷面為6 m(寬)×4 m(高),深為-14.65 m。

        根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,跌落井可歸為Ⅲ類物項(xiàng),即核電廠中,與核安全無(wú)關(guān)的物項(xiàng),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可采用民用建筑規(guī)范。根據(jù)勘查報(bào)告,跌落井地基持力層為微風(fēng)化巖,地基條件較好;排水暗渠局部為淤泥混沙;抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g;設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

        1 方案設(shè)計(jì)

        1.1 方案的優(yōu)化

        結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)首先是滿足工藝的要求。最初的結(jié)構(gòu)方案是跌落井溢流堰堰后及排水暗渠的底標(biāo)高為-17.5 m。

        考慮到排水暗渠所經(jīng)區(qū)域?yàn)閺S區(qū)回填區(qū),淤泥厚度比較大,采用大開挖方式處理排水暗渠地基,廠區(qū)挖深要比較深,開挖面較大,而且排水暗渠兩側(cè)已經(jīng)修建有鋼結(jié)構(gòu)廠房,限制了開挖面的寬度。因此,在滿足工藝要求的前提下,抬高排水暗渠底標(biāo)高,降低開挖深度,減小開挖面寬度,就具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí),還可以減少?gòu)S區(qū)開挖量,加快施工進(jìn)度。

        經(jīng)過多次工藝、結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)及施工單位的溝通,在充分考慮CC跌落井的使用功能及運(yùn)行后可能出現(xiàn)的問題,并考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件、工期等因素,滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的條件下,將跌落井(及排水暗渠)的底標(biāo)高適當(dāng)抬升。最終將堰后及排水暗渠的底標(biāo)高設(shè)定為-14.65 m,在和排水明渠銜接處10 m左右范圍內(nèi),暗渠內(nèi)底標(biāo)高改為-15.15 m。優(yōu)化后一方面減少了投資、節(jié)約工期,另一方面也為后續(xù)類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

        1.2 結(jié)構(gòu)方案

        由于跌落井結(jié)構(gòu)內(nèi)部比較空曠,除了-7.0 m標(biāo)高的連接井之外,沒有結(jié)構(gòu)專業(yè)需要作為支撐的任何樓板和墻體,因此在結(jié)構(gòu)布置和工藝專業(yè)等方面進(jìn)行了多次協(xié)商。根據(jù)工藝專業(yè)方案,在跌落井溢流堰的前側(cè)以及溢流堰的上部,不允許進(jìn)行任何結(jié)構(gòu)布置;并且溢流堰的后方區(qū)域不允許布置墻體,只能布置滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的梁,而且梁在水平和豎直方向上與溢流堰須保持一定的距離。綜合上述要求,在溢流堰后方布置一根大梁,用于支撐外墻的扶壁柱。

        側(cè)向土壓力主要由跌落井的外墻承擔(dān),溢流堰前方1~2軸之間外墻軸線距離為12.50 m,高為19.55 m。根據(jù)計(jì)算,需要沿墻體高度方向設(shè)置兩道腰梁,分別支撐在1軸線墻體和2軸線的溢流堰上。而溢流堰后方的外墻,由于高度在15 m左右,因此設(shè)置一道腰梁、3根扶壁柱,腰梁、扶壁柱和外墻共同構(gòu)成梁板結(jié)構(gòu),共同承擔(dān)側(cè)向土壓力。這樣跌落井外墻被分成平面尺寸較小的板式單元,墻厚大大減小,裂縫也比較容易控制。由于在土壓力的作用下,腰梁將產(chǎn)生位移,故腰梁并不能作為扶壁柱的支點(diǎn),扶壁柱的根部彎矩幾乎沒有得到改善。為此,在腰梁和扶壁柱交點(diǎn)處,設(shè)置大梁作為扶壁柱的支點(diǎn)。由于兩側(cè)土體的對(duì)稱作用,此大梁的受力比較簡(jiǎn)單,只有軸力和本身的重力。

        對(duì)于1軸線和7軸線的橫墻,在相同標(biāo)高的位置也布置一道腰梁,和A、B軸線的腰梁封閉在一起組成環(huán)狀,增加結(jié)構(gòu)的整體性能。大梁的位置對(duì)于減小扶壁柱的內(nèi)力有著關(guān)鍵性的作用,綜合考慮各種因素,將大梁布置在-7.0 m處。

        考慮地下水的水位較高,跌落井自身的抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算也是必不可少的。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,建筑物自重和浮力的標(biāo)準(zhǔn)值之比大于等于1.05。采用加大跌落井底板外伸長(zhǎng)度,利用外伸板上的土體自重作為配重的方法來(lái)滿足抗浮要求,并驗(yàn)算浮力對(duì)底板的沖切力。

        排水暗渠部分基礎(chǔ)采用高壓旋噴樁加固。

        2 跌落井的內(nèi)力分析

        2.1 模型建立

        跌落井的計(jì)算采用有限元軟件ANSYS建立三維模型進(jìn)行分析,墻、板采用shell181單元,梁、柱采用beam4單元,底板采用固定支撐。在海水氯化物環(huán)境下,混凝土采用C40,抗?jié)B標(biāo)號(hào)S10,彈性模量3.25×104MPa,泊松比0.2,重力密度25 kN/m3。

        與結(jié)構(gòu)施工圖紙相對(duì)應(yīng),模型總體坐標(biāo)系的X方向?yàn)閿?shù)字軸方向,Y方向與字母軸方向一致,Z方向與跌落井高度方向一致。軸力以受壓為負(fù),受拉為正。有限元模型如圖1所示。

        圖1 跌落井三維有限元整體模型Fig.1 Three dimensional finite model of water discharge surge tank

        圖2 X方向彎矩云圖(M11)Fig.2 X direction moment (M11)

        所受的荷載包括恒荷載和作用于頂板上的活荷載。其中恒荷載包括結(jié)構(gòu)自重、側(cè)向土壓力、跌落井內(nèi)的水壓力以及地下水壓力。

        2.2 內(nèi)力分析

        以跌落井澆筑完成,外部有回填土但內(nèi)部無(wú)水時(shí)的工況為例來(lái)分析。

        圖2和圖3分別為A軸線墻體X方向和Y方向的彎矩云圖??梢钥闯?,由于側(cè)向土壓力為主要荷載,墻體的上半部分內(nèi)力較小。墻體的X方向和Y方向最大正彎矩均出現(xiàn)在1~2軸之間的墻體中下部,X方向最大正彎矩為340.445 kN·m,對(duì)應(yīng)的軸力為-461.42 kN;Y方向最大正彎矩為498.03 kN·m,對(duì)應(yīng)的軸力為-556.57 kN。由于局部應(yīng)力,X方向和Y方向最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在頂板上的梁與墻體的交接處。

        圖3 Y方向彎矩云圖(M22)Fig.3 Y direction moment (M22)

        3軸線扶壁柱為受力最不利的扶壁柱,圖4為此扶壁柱沿截面高度方向的彎矩圖,可見最大正彎矩出現(xiàn)在扶壁柱的底部,為114.9 kN·m,對(duì)應(yīng)的軸力為-1 894 kN。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)概念可知內(nèi)力分布規(guī)律合理。

        對(duì)模型的所有工況進(jìn)行計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比,類似方法和步驟即可得到跌落井所有構(gòu)件控制截面的內(nèi)力,根據(jù)內(nèi)力情況進(jìn)行跌落井的設(shè)計(jì)和配筋,并對(duì)配筋進(jìn)行裂縫驗(yàn)算,滿足最小裂縫寬度0.2 mm的要求。

        圖4 3軸線扶壁柱的內(nèi)力圖Fig.4 Internal force of buttress column at 3 axes

        3 結(jié)束語(yǔ)

        1)幾乎所有在建的核電廠中都有跌落井這個(gè)子項(xiàng),雖然每個(gè)核電廠的跌落井結(jié)構(gòu)布置大不相同,但跌落井結(jié)構(gòu)本身的共性就是空間大,受力條件復(fù)雜。常規(guī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,需要采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行三維整體建模分析。

        2)由于跌落井內(nèi)部墻體和樓板較少,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念上,對(duì)跌落井結(jié)構(gòu)空間上的傳力體系必須清楚。內(nèi)部大梁和墻體外側(cè)扶壁柱的位置對(duì)于結(jié)構(gòu)是最為重要的,甚至需要進(jìn)行多次試算。

        3)在核電廠廠房中,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上,保證建筑物的結(jié)構(gòu)安全,因此,作為一名結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員,了解工藝的要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況是非常必要的。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要及時(shí)和工藝專業(yè)進(jìn)行溝通和協(xié)商,和施工現(xiàn)場(chǎng)保持密切聯(lián)系,盡早地了解施工方式和施工中的新技術(shù),才能使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理,得到更為優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案。

        [1] G B 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].(GB 50010—2010 Code for design of concrete structures[S].)

        [2] GB/T 50476—2008 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].(GB/T 50476—2008 Code for durability design concrete structures[S].)

        [3] G B 50007—2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].(GB 50007—2011 Code for design of building foundation[S].)

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