吳希盼，李志勇

（中國核電工程有限公司，北京 100089）

1 概述

核電廠安全殼作為核電機(jī)組安全運(yùn)行的第三道屏障，需承受因設(shè)計基準(zhǔn)事故產(chǎn)生的內(nèi)壓，為驗(yàn)證安全殼結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)事故工況下的工作性能，在安全殼建造完成后，需進(jìn)行安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗(yàn)。

安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗(yàn)的目的包括：①驗(yàn)證評估非預(yù)力鋼筋是否出現(xiàn)屈服；②通過目視檢查，檢查混凝土結(jié)構(gòu)和鋼內(nèi)襯的損傷情況；③測量安全殼的變形及泄壓后的殘余變形是否滿足要求。

安全殼建造階段，在混凝土內(nèi)安裝預(yù)埋應(yīng)變計，用以測量混凝土應(yīng)變，配合安全殼裂縫觀測及整體變形數(shù)據(jù)，來確定非預(yù)應(yīng)力鋼筋是否發(fā)生屈服。判定非預(yù)應(yīng)力鋼筋未出現(xiàn)屈服，通常有兩種方式：①測量應(yīng)變的最大值未超過使鋼筋屈服的極限應(yīng)變；②鋼筋的應(yīng)變在泄壓后能夠恢復(fù)，即彈性應(yīng)變。

2 預(yù)埋應(yīng)變計介紹

預(yù)埋應(yīng)變計通常采用振弦原理：將一定長度的鋼弦張拉在兩個端塊之間，端塊置于混凝土中，混凝土的變形使兩端塊相對移動并導(dǎo)致鋼弦張力變化，這種張力的變化使鋼弦諧振頻率發(fā)生改變，通過電磁線圈對鋼弦進(jìn)行信號激勵，并讀取頻率數(shù)據(jù)，從而測量混凝土的應(yīng)變。應(yīng)變計及安裝框架示意圖如下圖1所示：

圖1 應(yīng)變計安裝框架示意圖

預(yù)埋應(yīng)變計通常布置在安全殼筒體區(qū)域、穹頂區(qū)域和設(shè)備閘門孔區(qū)域，沿混凝土厚度方向，在內(nèi)（以“I”表示）、外（以“O”表示）層鋼筋處各布置2個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)安裝2個應(yīng)變計，分別測量混凝土的切向（以“T”表示）和豎向（以“V”表示）應(yīng)變。

安全殼筒體區(qū)域，通常在同一標(biāo)高設(shè)置4個角度的測點(diǎn)；穹頂區(qū)域通常在穹頂3個方位及穹頂中央的內(nèi)外兩側(cè)，設(shè)置8個應(yīng)變測點(diǎn)；設(shè)備閘門孔區(qū)域的應(yīng)變測點(diǎn)分別沿設(shè)備閘門孔的水平和垂直軸線方向進(jìn)行布置。

預(yù)埋應(yīng)變計在安全殼建造階段安裝，到進(jìn)行安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗(yàn)，需經(jīng)歷數(shù)年時間，期間可能因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致應(yīng)變計失效。為保障試驗(yàn)的順利進(jìn)行，需采取相應(yīng)替代方案。

3 替代方案分析

方案一：在失效應(yīng)變計位置混凝土外表面安裝臨時應(yīng)變計，以臨時應(yīng)變計測量的混凝土表面應(yīng)變估算為原位置的應(yīng)變。

核電廠預(yù)埋應(yīng)變計失效時，通常在失效應(yīng)變計位置混凝土外表面安裝臨時應(yīng)變計，以臨時應(yīng)變計測量的混凝土表面應(yīng)變估算為原位置的應(yīng)變。

打壓試驗(yàn)期間，安全殼受殼內(nèi)壓力影響產(chǎn)生變形，在混凝土開裂前，非預(yù)應(yīng)力鋼筋和周圍混凝土共同協(xié)調(diào)變形。根據(jù)平截面假定原理，垂直于物體軸線的各平截面，在物體受力變形后仍為平面，并且與變形后的物體軸線垂直（如下圖2所示）。即，安全殼外側(cè)混凝土表面的應(yīng)變大于內(nèi)部混凝土及混凝土內(nèi)的非預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)變。

圖2 平截面假定示意圖

因此，在失效的應(yīng)變計位置混凝土外表面安裝臨時應(yīng)變計，以測得的混凝土表面應(yīng)變估算為原應(yīng)變計位置的應(yīng)變值，理論上其結(jié)果更加保守。

以我國某核電機(jī)組為例，在安全殼結(jié)構(gòu)整體性試驗(yàn)前，進(jìn)行設(shè)備試驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)有3處安全殼筒體區(qū)域的預(yù)埋應(yīng)變計讀數(shù)無法正常顯示。對現(xiàn)場各種可能的干擾因素排查后，確認(rèn)預(yù)埋應(yīng)變計失效。

現(xiàn)場在失效應(yīng)變計位置混凝土外表面以粘貼方式安裝臨時應(yīng)變計，臨時應(yīng)變計測量數(shù)據(jù)與同標(biāo)高的正常預(yù)埋應(yīng)變計測量數(shù)據(jù)對比分析如表1：

表1 臨時應(yīng)變計與預(yù)埋應(yīng)變計數(shù)據(jù)對比

（1）第一組應(yīng)變計數(shù)據(jù)中，有兩個預(yù)埋應(yīng)變計失效。在最高壓力平臺，臨時應(yīng)變計的測量值分別為184.7 με與239.6 με，與正常預(yù)埋應(yīng)變計測量值的差值分別為43.2 με和27 με。

（2）第二組應(yīng)變計數(shù)據(jù)中，在最高壓力平臺，臨時應(yīng)變計的測量值為96.2 με，與正常預(yù)埋應(yīng)變計測量值的差值為41.5 με。

（3）臨時應(yīng)變計的測量值與正常預(yù)埋應(yīng)變計測量值變化趨勢一致，均隨壓力平臺相應(yīng)變化，且泄壓后的應(yīng)變恢復(fù)良好。

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變公式：

式中：

σ ——應(yīng)力（MPa），HRB500鋼筋的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為500 MPa；

ES——HRB500鋼筋彈性模量（2.0×105MPa）；

ε ——應(yīng)變；

計算可得出，要使鋼筋發(fā)生屈服的應(yīng)變?yōu)? 500με，遠(yuǎn)大于臨時應(yīng)變計和正常預(yù)埋應(yīng)變計的測量值及其差值。

綜上，臨時應(yīng)變計測得的應(yīng)變與正常預(yù)埋應(yīng)變計測得的應(yīng)變及其差值均遠(yuǎn)小于使鋼筋發(fā)生屈服的應(yīng)變（2500 με），且測得的應(yīng)變值隨壓力平臺變化趨勢一致，在泄壓后能夠恢復(fù)良好。因此，可認(rèn)為以臨時應(yīng)變計測量的混凝土表面應(yīng)變估算為失效應(yīng)變計位置的應(yīng)變，并進(jìn)一步用來判斷非預(yù)應(yīng)力鋼筋是否發(fā)生屈服是合理可行的。

方案二：以同標(biāo)高不同角度的多個應(yīng)變測點(diǎn)數(shù)據(jù)平均值估算失效的應(yīng)變計數(shù)據(jù)。

在安全殼筒體區(qū)域，同標(biāo)高4個不同角度的應(yīng)變測點(diǎn)示意圖如圖3所示。

圖3 筒體區(qū)域應(yīng)變測點(diǎn)角度示意圖

當(dāng)某一預(yù)埋應(yīng)變計失效時，本方案擬用同標(biāo)高不同角度的其他正常預(yù)埋應(yīng)變計測量值的平均值近似估算為失效應(yīng)變計的數(shù)據(jù)。例如，上圖中A點(diǎn)的預(yù)埋應(yīng)變計失效，則分別測量出B、C、D點(diǎn)的應(yīng)變值，計算其平均值視為A點(diǎn)的應(yīng)變。

仍以方案一中的3個失效應(yīng)變計為例，對方案一臨時應(yīng)變計的測量結(jié)果和方案二的計算平均值的結(jié)果進(jìn)行對比，如表2：

表2 方案一和方案二數(shù)據(jù)對比

因前兩個失效應(yīng)變計屬于同一組應(yīng)變計（同標(biāo)高、同方向），對于方案二只能計算剩余的兩個正常預(yù)埋應(yīng)變計數(shù)據(jù)的平均值。對于3個失效的應(yīng)變計，采用方案一和方案二其結(jié)果偏差分別為35.55 με、19.05 με、24.7 με，遠(yuǎn)小于使鋼筋發(fā)生屈服的應(yīng)變（2 500 με）。

因此，可認(rèn)為通過方案二以同標(biāo)高不同角度的多個正常預(yù)埋應(yīng)變計測量值的平均值近似估算為失效應(yīng)變計的數(shù)據(jù)，基本不影響對非預(yù)應(yīng)力鋼筋是否發(fā)生屈服的判斷。

但是，此方案僅適用于安全殼筒體區(qū)域的應(yīng)變測量，安全殼穹頂區(qū)域（應(yīng)變測點(diǎn)位置示意圖4）及設(shè)備閘門孔區(qū)域（應(yīng)變測點(diǎn)位置示意圖5），因其結(jié)構(gòu)及應(yīng)變測點(diǎn)布置的特殊性，不適用此方案。

圖4 穹頂區(qū)域應(yīng)變測點(diǎn)位置示意圖

圖5 設(shè)備閘門孔區(qū)域應(yīng)變測點(diǎn)位置示意圖

4 結(jié)論

當(dāng)預(yù)埋的應(yīng)變計失效，可在失效應(yīng)變計位置的混凝土外表面安裝臨時應(yīng)變計，以臨時應(yīng)變計測量的混凝土表面應(yīng)變估算為原位置的應(yīng)變。對于安全殼筒體區(qū)域的失效應(yīng)變計，可采用方案二，以同標(biāo)高不同角度的多個正常預(yù)埋應(yīng)變計測量數(shù)據(jù)，計算平均值估算失效應(yīng)變計的數(shù)據(jù)，對臨時應(yīng)變計的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助驗(yàn)證。

而且，由于混凝土的受拉極限應(yīng)變遠(yuǎn)小于鋼筋受拉屈服應(yīng)變，安全殼變形過大時混凝土出現(xiàn)開裂優(yōu)先于非預(yù)應(yīng)力鋼筋發(fā)生屈服。試驗(yàn)期間，可通過對混凝土裂縫情況進(jìn)行檢查監(jiān)測，輔助判斷非預(yù)應(yīng)力鋼筋是否發(fā)生屈服。