□孟志勇 于鳳榮

一、概述

核電廠GB綜合管廊是廠區(qū)內(nèi)重要的BOP子項(xiàng)，是連接廠區(qū)內(nèi)核島、常規(guī)島及其它輔助性廠房、設(shè)施的通道，廠區(qū)內(nèi)的工藝管線、給排水管線、電纜均由此輸送到各廠房，幾乎遍布整個(gè)主廠區(qū)，多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

核電廠GB綜合管廊規(guī)模大，功能多，專業(yè)接口多，設(shè)計(jì)配合難度大。內(nèi)設(shè)人行通道、鋼平臺(tái)和鋼爬梯，頂部根據(jù)需要設(shè)有安裝孔、通風(fēng)孔、人孔等，截面形式多為矩形。核電廠區(qū)采用綜合管廊主要有兩大優(yōu)點(diǎn)：第一，核電機(jī)組工藝復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特殊，各種管線縱橫交錯(cuò),設(shè)備及附屬管線檢修頻繁，為保證絕對安全，綜合管廊可以從根本上解決因場地開挖對廠房結(jié)構(gòu)帶來的安全隱患；同時(shí)可以保持廠區(qū)內(nèi)環(huán)境美觀，道路暢通。第二，我國核電廠多分布在東部沿海地區(qū)，地下水腐蝕性較強(qiáng)，將各種管線通過綜合管廊輸送到各廠房，大大減少了土壤和地下水對管道、電纜的腐蝕，可以延長使用壽命，降低因管線老化引起的故障率。

GB綜合管廊將整個(gè)核島廠區(qū)的電力、通信、熱力、給排水、工藝等專業(yè)的管線集于一體，為了滿足其各項(xiàng)使用功能，管廊的頂板、底板會(huì)設(shè)計(jì)許多凸起、下凹，這些部位往往內(nèi)部空間大、側(cè)壁板不規(guī)則，目前采用教材和規(guī)范中推薦的“閉合框架模型”來計(jì)算存在一定的不足，本文以某核電廠ACP1000型號(hào)為例，基于ANSYS有限元分析軟件對GB綜合管廊子項(xiàng)頂板凸起部位側(cè)壁混凝土板的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

二、工程實(shí)例分析

(一)工程概況。某核電項(xiàng)目GB綜合管廊凈跨度2.700m，管廊平直段凈高度2.700m，頂板凸起處高出頂板頂標(biāo)高2.000m，故頂板凸起處凈高度4.700m，頂板埋深-2.500m，壁厚均為0.400m。根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》該段管廊可歸為Ⅲ類物項(xiàng)，即核電廠中與核安全無關(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)地質(zhì)勘察報(bào)告，該段管廊地基為微風(fēng)化層，其承載力特征值fak=1,000kPa，地基條件較好；抗震設(shè)防烈度：7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

(二)建模及計(jì)算。GB綜合管廊墻、板采用均shell181單元，坐落于巖層地基承載力特征值fak=1,000kPa，屬于較完整巖體,考慮到地基承載力相對于管廊所受荷載較高，忽略地基的整體變形，邊界條件采用固定支座約束，混凝土采用C35聚丙烯纖維防水混凝土，彈性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.2，密度25kN/m3，側(cè)壓力系數(shù)取0.5?？紤]到沿海地區(qū)雨量充沛，地下水按恒荷載計(jì)算，土的浮容重取10kN/m3，水的容重取10kN/m3，重力加速度g。對應(yīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)圖紙，建立有限元模型為方便建模，分析管廊規(guī)則區(qū)段側(cè)壁板對凸起處側(cè)壁板的影響，本文在頂板凸起處的左右兩端各選取了1.0m長的規(guī)則管段，如圖1所示。

圖1 GB綜合管廊三維有限元整體模型

圖2 管廊側(cè)壁板彎矩云圖

圖3 管廊側(cè)壁板彎矩云圖

所受荷載包括結(jié)構(gòu)自重；作用于頂板上的水土壓力；側(cè)壁分別受到向內(nèi)作用的梯形分布的水土壓力；管廊沒有特殊的外加活荷載，可酌情考慮。以下分別給出了結(jié)構(gòu)在自重和水土壓力共同作用下的兩側(cè)壁板的彎矩云圖，如圖2和圖3所示。兩側(cè)壁板的最大負(fù)彎矩均為68.3kN·m，出現(xiàn)在側(cè)壁板與底板相交處中部；側(cè)壁板幾何中心附近正彎矩最大，分別為34.39kN·m、34.48kN·m，且?guī)缀沃行母浇^大范圍內(nèi)彎矩值近似相等，自凸起處向兩端延伸至側(cè)壁板平順范圍內(nèi)約0.7～0.8m。

為了比較與目前采用的“閉合框架模型”的不同，本文用清華大學(xué)編制的力學(xué)計(jì)算器計(jì)算了綜合管廊頂板凸起處在相同水土作用下的框架內(nèi)力，結(jié)果如圖4所示，兩側(cè)壁板最大負(fù)彎矩均為179.71kN·m，最大正彎矩均為76.39kN·m。

圖4 綜合管廊力學(xué)計(jì)算器彎矩結(jié)果(kN·m)

(三)內(nèi)力結(jié)果及對比分析。從圖4可以看出，“閉合框架模型”結(jié)果與有限元計(jì)算的結(jié)果相比最大內(nèi)力出現(xiàn)的位置、作用方向基本吻合，數(shù)值是有限元計(jì)算結(jié)果的2～3倍。這是由于“閉合框架模型”選取的是框架截面，施加線荷載；而在實(shí)際受力過程中，側(cè)壁板整體受力，承受的是面荷載，管廊規(guī)則部分的側(cè)壁板對凸起部位側(cè)壁板有約束作用，從而抵消了部分最大彎矩。所以，對GB綜合管廊頂板凸起處側(cè)壁混凝土板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：第一，因外側(cè)壁四角尤其是下部兩角與頂?shù)装逑嘟惶幋嬖谳^大負(fù)彎矩，同時(shí)此處剪應(yīng)力也是最大，應(yīng)采取加強(qiáng)措施；第二，在地基條件較好，地基承載力相對于管廊所受荷載可簡化為剛體時(shí)，“閉合框架模型”的計(jì)算結(jié)果是偏于保守的。

三、管廊標(biāo)準(zhǔn)截面設(shè)計(jì)建議

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和工程實(shí)踐，圖5給出了核電廠GB綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面的配筋圖。在側(cè)壁四角配置斜向的加強(qiáng)鋼筋及8根通長鋼筋，直徑同主受力鋼筋。截面配筋采用頂、底板和側(cè)壁分開布置的方法，盡量不在最大彎矩和最大剪力處設(shè)置接頭。

管廊內(nèi)側(cè)鋼筋及水平鋼筋的錨固長度滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010(2015年版)的要求。管廊頂?shù)装搴蛡?cè)壁的外側(cè)鋼筋相互搭接，通過上述彎矩圖可知，管廊外側(cè)出現(xiàn)負(fù)彎矩的位置與截面形狀有密切聯(lián)系，故單側(cè)搭接長度滿足0.8Lae的同時(shí)尚需大于1/3*廊道凈跨度-50mm(考慮鋼筋保護(hù)層及施工誤差等因素)取整，具體可詳見圖5。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)截面配筋圖(長度單位：mm)

四、結(jié)語

本文主要通過目前普遍采用的“閉合框架模型”計(jì)算結(jié)果與有限元軟件ANSYS計(jì)算結(jié)果對比，對地基條件較好的硬巖區(qū)域GB綜合管廊頂板凸起處側(cè)壁混凝土板設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，介紹了“閉合框架模型”計(jì)算這類板的不足，同時(shí)根據(jù)工程實(shí)踐，對截面配筋設(shè)計(jì)提出了建議，需要指出的是，如果地基條件不好，如強(qiáng)風(fēng)化軟巖等，邊界條件可選用地基彈簧模擬反力更符合實(shí)際受力過程，希望本文可為后續(xù)核電廠綜合管廊設(shè)計(jì)提供參考。