AP1000核电厂OLP型预埋件有限元分析方法研究

李 成 李韶平 刘建卫

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

AP1000核电厂OLP型预埋件有限元分析方法研究

李 成 李韶平 刘建卫

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

作为世界上最先进的第三代核电技术，AP1000首堆正在中国建造。AP1000核电站厂房的一大特点是模块化程度高，以钢板混凝土模块墙结构取代传统的钢筋混凝土结构，模块墙上需要布置大量的OLP(Overlay Plate)型预埋件以连接其它结构构件，比如支撑工艺管道、设备支架、操作平台、预制构件等，因此预埋件的设计是AP1000结构设计中十分重要的环节。本文介绍了预埋件的有限元分析方法，将开发的GTStrudl命令流模板和基于Microsoft Excel环境下的VBA宏处理程序应用于预埋件的设计，显著提高了工作效率，对工程设计具有一定的帮助和借鉴意义。

AP1000，OLP型预埋件，GTStrudl有限元软件，VBA宏处理程序

安全是核电站的生命线。AP1000是较为成熟的第三代核电技术，其优点是厂房建造采用模块化技术，即以模块墙（钢板混凝土墙结构）取代传统的混凝土墙，系统得到大幅简化。基于模块墙的特点，模块墙上需要使用大量的OLP(Overlay Plate)型预埋件来连接其它结构构件，比如连接并支撑工艺管道、设备支架、预制板、钢楼梯等。OLP型预埋件属于抗震I类构件，因此，预埋件的设计在模块设计中尤为重要，需要十分重视。AP1000模块墙中的预埋件应该根据核安全相关混凝土规范进行设计。

本文介绍了预埋件的有限元分析方法，使用GTStrudl[1]命令流建立OLP型预埋件有限元模型并对其进行分析，得到应力变形情况，根据自行编制的Excel VBA[2]宏处理程序，对结果进行处理，得到预埋件的承载力，采用规范规定的荷载组合对承载力进行验算。

1 分析方法

OLP型预埋件是一种特殊的预埋件，专门应用于钢面板厚度为0.5″(14 mm)的模块墙中，由预埋板、机械套筒和变形锚筋三部分组成(见图1)。由于模块墙钢板和预埋板之间有一定间隙，导致机械套筒除了受轴向应力外，还受剪应力和弯曲应力的影响。

图1 OLP型预埋件 (a) 平面图；(b) 侧视图Fig.1 OLP embedment. (a) plan view; (b) lateral view

OLP预埋件的设计程序如下：首先根据预埋件实际尺寸，使用自编的GTStrudl命令流建模模板建立有限元模型，考虑不同荷载工况的作用，得到GTStrudl计算的应力变形结果，然后使用Excel VBA宏处理程序对结果进行处理，基于线性的假定计算板和锚筋的承载力设计值。得到预埋板和锚筋的承载力以后，根据下列公式对预埋板和锚筋的强度分别进行验算。

对于预埋板，须满足以下方程：

对于锚筋，须同时满足以下三个组合方程：

其中，T，Mx，My，V，Mz代表预埋件上的外荷载（考虑荷载组合系数）；Tp，Mxp，Myp代表预埋板的抗拉和抗弯承载力；Ts，Mxs，Mys代表锚筋的抗拉和抗弯承载力。

2 程序介绍

为提高计算效率，按照GTStrudl命令流格式编写了预埋件建模及计算的命令流模板，便于修改模型，通用性强。下面给出部分命令流：

在Microsoft Excel环境下使用VBA脚本语言编制的宏处理程序包括以下功能：对GTStrudl计算的结果进行读取、处理，并计算出预埋件的承载力和刚度；对于预埋件距离混凝土自由边距离较小的情况，需要根据规范ACI 349[3]的规定考虑混凝土可能发生剪切破坏并计算锚筋的抗剪承载力，该宏处理程序也包括了这部分的计算，然后取较小值作为锚筋的抗剪承载力；对外荷载进行最后自动变换坐标系，并根据规范要求进行各种工况的荷载组合；最后验算预埋件的承载力是否满足要求。

下面给出该程序对有限元结果进行处理的部分VBA代码：

该程序的部分窗口见图2。

图2 基于Microsoft Excel的VBA宏处理程序(a) 读取GTStrudl计算的内力和应力结果；(b) 读取GTStrudl计算的位移结果；(c) 计算结果的分析处理Fig.2 VBA macro procedure based on Microsoft Excel. (a) reading of member force and stress results; (b) reading of displacement results; (c) analysis for calculation results

3 有限元分析[4,5]

3.1计算模型

本文以CA01模块墙上某一OLP型预埋件A为例计算并验算其承载力。该预埋件的尺寸为16″×24″×1″(406 mm×610 mm×26 mm)，板上有8根直径d为0.75″(19 mm)的锚筋，预埋件A距离混凝土自由边的距离充足，不考虑混凝土的剪切破坏。预埋件所支撑的工字梁通过连接件（牛腿）与预埋件连接，如图3所示。

根据GTStrudl命令流模板文件建立计算模型，如图4所示。预埋板由板单元模拟，单元尺寸为0.5″×0.5″(13 mm×13 mm)，机械套筒和锚筋由杆单元（构件）模拟。计算中，外荷载传递到连接件上之后，通过焊缝传递到预埋板上。在此，将焊缝视为一组刚节点，并为其定义形心C1。锚筋端部设为固端约束。为了更好地模拟锚筋实际的工作状态，有限元模型中锚筋的长度取为实际长度的一半进行分析。使用弹簧模拟混凝土与锚板以及锚筋的相互作用。

图3 预埋件A示意图Fig.3 Sketch for embedment A.

图4 计算模型 (a) 轴测图；(b) 平面图Fig.4 Isometric view(a) and plan view(b) of FEM model.

3.2混凝土承压刚度

为更好地模拟实际情况，使用线性受压弹簧模拟模块墙中的混凝土，垂直作用在板单元的节点上。根据文献[6]，混凝土的弹性模量和承压刚度可以表示为：

其中，fc’=27.6 MPa，表示混凝土抗压强度值[2]；m表示板的形状系数（正方形时为0.95）；v表示泊松比（对于混凝土，取为0.17）；A表示板的面积。

考虑到预埋板和模块钢板之间的间距（最大为0.75’(19 mm)）影响，OLP型预埋件的弹簧承压刚度曲线见图5所示，该曲线的命令流在第2节中已经给出。

图5 OLP型预埋件的混凝土弹簧刚度曲线Fig.5 Concrete spring stiffness curve.

3.3计算结果

经过GTStrudl的计算分析，并运用VBA宏处理程序，得到该预埋件的承载力，见表1。预埋件A的最大荷载如表2所示。

按照公式(1)−(4)校核预埋件A的强度值，结果符合要求，如表3所示。

表1 预埋件A的承力Table 1 Capacity for embedment A.

表2 预埋件A控制性外荷载Table 2 Controlling design loads for embedment A.

表3 预埋件A强度校核结果Table 3 Interaction ratio for embedment A.

4 结语

本文介绍了OLP型预埋件的设计方法以及自编的基于VBA宏处理技术的有限元设计程序，得到如下结论：

根据相关规范总结的设计方法，结合GTStrudl有限元分析程序，得到的应力、变形和内力结果更为精确。

使用自编的GTStrudl命令流建模模板进行建模和计算，并通过自编的Excel宏处理程序对计算结果进行处理，可以快速得到预埋板和锚筋的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭承载力，并进行强度验算。该方法简便、通用性强，大大提高了计算效率。

针对预埋件距离混凝土自由边距离较小的情况，还应根据规范ACI 349的规定计算锚筋的抗剪承载力，并和GTStrudl计算得到的承载力进行比较，取其较小值作为锚筋的抗剪承载力。如果承载力不足，可以通过增大预埋件尺寸或者在模块墙中增加锚固钢筋的方式来处理。

本文针对OLP预埋件的分析方法，同样适用于核电厂中传统的钢筋混凝土结构预埋件，文中提及的建模程序和Excel宏处理程序也同样适用，只需做一些必要的修改即可，工程应用价值高。

1 “GTStrudl”[CP], Version 29, by Georgia Tech Research Corporation

2 伍远高. Excel VBA开发技术大全[M]. 北京: 清华大学出版社, 2009 WU Yuangao. Excel VBA Development Skill Summary[M]. Beijing: Tsinghua University press, 2009

3 ACI 349-01, Code Requirements for Nuclear Safety Related Concrete Structures[S]. American Concrete Institute, 2001

4 马臣杰, 钟玉柏, 许璇. 幕墙预埋件承载力非线性有限元分析[J]. 建筑结构, 2011, 41(2): 94−96 MA Chenjie, ZHONG Yubo, XU Xuan. Nonlinear finite element analysis of bearing capacity of embedded part in curtain wall[J]. Building Structure, 2011, 41(2): 94−96

5 李佳佳. 硬质PVC预埋件力学性能试验与研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2007 LI Jiajia. Experimental Study and Research on Mechanical Properties of Rigid Polyvinyl Chloride Embedded Part[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2007

6 Timoshenko S P. 弹性理论[S]. 北京: 清华大学出版社, 2004 Timoshenko S P. Theory of Elasticity[S]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004

OLP embedment design method research for AP1000 nuclear plant

LI Cheng LI Shaoping LIU Jianwei
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: One of the most advanced nuclear power technology, the first AP1000 reactor is under construction in China. Modularization is one of the main characteristics for AP1000 nuclear plant building. Module wall with steel face plate is used instead of reinforced concrete structure wall. A number of OLP embedments need to be installed into the module wall to connect other structures such as pipes, equipments, operation platforms and any other component attached to the module wall. Therefore, the design of embedment is very important in AP1000 structural design. Purpose: A finite element analysis method and tool for embedment design is needed for convenience. Methods: This paper applies the self-developed GTStrudl command template and VBA macro program for embedment capacity calculation and evaluation based on Microsoft Excel to the embedment design. Results: A Microsoft Excel template for embedment design is developed. Conclusions: The analysis method and template brings reasonable results and may provide some help and use for reference for the engineering practice.

AP1000, OLP embedment, GTStrudl finite element analysis software, VBA macro program

TU311.41

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040663

李成，男，1984年出生，2009年于河海大学获硕士学位，现为上海核工程研究设计院工程师。主要研究领域为核电厂模块化技术

2012-10-30，

2012-12-20

CLC TU311.41