□李金艷 楊風(fēng)松

一、概述

密封小室為核安全級(jí)、抗震I類(lèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂板、底板厚2m，四周墻體厚1.5m，長(zhǎng)×寬×高為5.4×4×4.6m，內(nèi)設(shè)不銹鋼覆面，鋼覆面與混凝土結(jié)構(gòu)共同作用，包容嚴(yán)重事故工況下的高溫及高壓液體。

為了確保密封小室在事故壓力下的密封可靠性，需對(duì)密封小室混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體性試驗(yàn)，據(jù)此對(duì)密封小室混凝土結(jié)構(gòu)的完整性和安全性進(jìn)行評(píng)定，從而為密封小室結(jié)構(gòu)的成功建設(shè)提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。參照《壓水堆核電廠安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗(yàn)》(NB/T 20017-2010)的要求，試驗(yàn)壓力應(yīng)達(dá)到廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力的1.15倍。嚴(yán)重事故時(shí)密封小室結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓力值為2MPa，所以打壓試驗(yàn)的最大內(nèi)外壓差應(yīng)為2.3MPa。

二、試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)《壓水堆核電廠安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗(yàn)》(NB/T 20017-2010)的要求，進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)，密封小室的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下幾方面的試驗(yàn)檢測(cè)。

(一)結(jié)構(gòu)整體變形。測(cè)試在各等級(jí)試驗(yàn)壓力下墻體的外凸變形。

(二)非預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力測(cè)量。測(cè)量在各等級(jí)試驗(yàn)壓力下墻體在水平和垂直兩個(gè)方向上主筋的應(yīng)力值；混凝土應(yīng)變應(yīng)力測(cè)量：試驗(yàn)壓力下墻體混凝土在水平和垂直兩個(gè)方向上的應(yīng)變應(yīng)力值。

(三)表面裂縫。觀測(cè)在各等級(jí)試驗(yàn)壓力下墻體外表面混凝土是否會(huì)出現(xiàn)微細(xì)裂縫。

(四)外觀質(zhì)量檢查。對(duì)密封小室的壓力邊界外觀全面檢查。檢查范圍包括裂縫、蜂窩、麻面、孔洞、表面夾雜物、表面玷污及缺棱掉角等。

三、單元選擇和有限元模型的建立

由于密封小室墻板厚度與跨度之比均大于1/5,屬厚墻厚板結(jié)構(gòu),剪切變形不容忽略，應(yīng)采用Mindlin/Reissner公式計(jì)算?？紤]彈性計(jì)算分析結(jié)果與實(shí)際模型會(huì)有較大的偏差，本文采用更加精確的彈塑性分析，以便真實(shí)考慮混凝土開(kāi)裂或鋼筋進(jìn)入塑性對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度和應(yīng)力分布的影響。

采用SAP2000有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，建立密封小室的整體三維有限元模型如圖1所示。模型中墻板均采用非線性分層殼單元，分層殼單元由各向鋼筋層和混凝土層組成共同受力，考慮混凝土和鋼筋的材料非線性。

圖1 整體三維有限元模型

四、計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比分析

考慮結(jié)構(gòu)自重，并在密封小室內(nèi)部施加2.3MPa的壓力，經(jīng)計(jì)算求解，結(jié)構(gòu)的最大變形和應(yīng)力分別進(jìn)行詳細(xì)分析。

(一)整體變形。由圖2可以看出，打壓狀態(tài)下，密封小室墻體中部的變形最大，在Z向的最大變形值為2.1mm，與1.9mm的試驗(yàn)測(cè)定值基本一致。

圖2 整體變形

(二)鋼筋、混凝土的應(yīng)力分布。在荷載作用下墻體外側(cè)的跨中鋼筋和內(nèi)部的端部鋼筋的計(jì)算應(yīng)力最大，分別為74.8MPa和192MPa，如圖3所示，試驗(yàn)測(cè)得的最大應(yīng)力分別為82MPa和185MPa：HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360MPa，所以鋼筋強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

a)墻體外側(cè)跨中鋼筋應(yīng)力 b)墻體內(nèi)側(cè)端部鋼筋應(yīng)力圖3 鋼筋應(yīng)力圖

混凝土的試驗(yàn)應(yīng)力達(dá)到了5MPa，已經(jīng)超過(guò)了C35混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.2MPa，說(shuō)明混凝土已進(jìn)入帶裂縫工作狀態(tài)。

(三)墻體裂縫。在最大壓力載荷作用下,外側(cè)跨中出現(xiàn)了局部范圍的開(kāi)裂，實(shí)測(cè)最大裂縫達(dá)到了0.2mm,小于裂縫計(jì)算值0.29mm。

五、結(jié)論和建議

通過(guò)上述計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論：第一，采用非線性分層殼可以較好地模擬厚墻厚板的彈塑性力學(xué)特性。第二，由于壓力較高，墻體在彎矩較大處裂縫開(kāi)展明顯，為確保結(jié)構(gòu)的密封性，結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)宜采用鋼覆面作為密封壓力邊界。第三，對(duì)于壓力較高的密封小室，需要密切關(guān)注高壓下的裂縫缺陷，建議采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)裂縫。