核电厂钢筋混凝土箱涵结构有限元分析

张福征 陈 阳 郭广生 张营营

(1.国核电力规划设计研究院，北京 100095； 2.廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000)

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核电厂钢筋混凝土箱涵结构有限元分析

张福征1陈 阳1郭广生2张营营2

(1.国核电力规划设计研究院，北京 100095； 2.廊坊市交通公路工程有限公司二公司，河北 廊坊 065000)

为了准确反映某核电厂钢筋混凝土箱涵结构的受力情况，采用MIDAS有限元分析软件对该钢筋混凝土结构进行了整体建模计算，得出的结果能为结构设计提供准确的信息，从而保障核电厂的安全运行。

钢筋混凝土箱涵，核电厂，有限元

0 引言

近年来，随着世界范围内核电技术的改进特别是第三代核电技术的发展运用，单台机组发电功率可达100万kW以上。单台机组装机容量增加意味着核岛安全用水取水，常规岛系统冷却用水量增加，循环水取排水系统是核电工程中的重要建筑物，多采用现浇混凝土箱涵结构。已有研究表明有限元法在钢筋混凝土结构分析中具有独特的优势[1,2]，加之其为地下结构，需综合考虑地下水作用、管涵内部输水压力、顶部及四周覆土压力、施工荷载及重件道路的运输荷载等，采用有限元分析可以获得结构应力、应变、位移等结构反应信息，准确描述结构内力、变形和裂缝的发展过程，从而对结构的承载能力和可靠性做出分析评价，为后续结构计算优化设计提供依据。

本文以某核电厂现浇钢筋混凝土箱涵结构为例，地基反力采用弹性连续介质地基模型，通过MIDAS有限元设计软件对钢筋混凝土箱涵结构的实际受力情况进行分析计算。MIDAS的几何建模和网格划分技术采用了在土木领域中已经被广泛应用的前后处理软件MIDASFX+的核心技术，同时融入了强大的线性、非线性分析内核，是一款专门适用于土木领域的高端非线性分析和细部分析软件。

1 箱涵概况

本箱涵以我国某核电厂排水箱涵为背景，混凝土标号为C40，底设0.1m厚C15素混凝土垫层，采用4孔4.2×4.2(H)有压箱涵，沿水流方向分缝长度为20m，采用全地下结构，计算断面的顶高程为0m，底高程为-6m，设计地面标高为10m，即有压箱涵顶部埋深为10m，运行工作最大内水压力为8m～12m。箱涵结构尺寸：顶板、底板、侧壁、中隔墙厚均为0.9m，箱涵腋角尺寸为0.5m×0.5m，具体形式如图1所示。

由于现浇混凝土箱涵对地基不均匀沉陷具有良好的适应性，而考虑到该核电厂箱涵建造在明挖施工的基岩上，地质条件较好，可不考虑地基的不均匀沉降和地基对外墙的变形约束作用，按照自由变形体系计算；同时考虑施工缝的存在，按顺水流方向取每分缝长度20m计算，箱涵内部角隅部分均设有加腋，不考虑其对结构的影响，仍按等界面计算。

由于该现浇混凝土箱涵上部存在常规岛大件运输过路段，除考虑水压力、土压力、汽车荷载、施工荷载外，尚需考虑大件运输荷载，常规岛大件运输车辆为20轴，2纵(6m)10轴(15m),160车轮平均分布，车辆自重100t，运输总重量约为600t，每平方米承重7t，因此需考虑大件运输时循环水取排水箱涵结构的安全性。考虑平面车轮压扩散线深度的影响，扩散角按30°考虑，当覆土厚度大于轮压扩散点深度时，平板车荷载在沟道顶板产生的垂直压力Ph可按下式计算：

其中，P为挂车每个轴压力；G为挂车总重量；h为覆土深度。

2 计算结果及分析

2.1 计算模型

本钢筋混凝土箱涵结构采用MIDAS有限元分析软件计算，该软件可以模拟混凝土三轴拉伸、三轴压缩、蠕变及塑性变形等状态，建立以图1为依据的4孔钢筋混凝土箱涵三维模型，以每分缝长度为依据整体建模计算。有限元计算时暂未考虑温度及混凝土收缩，计算工况及荷载组合情况见表1。

表1 箱涵结构计算工况及荷载组合

2.2 计算结果及分析

由于MIDAS根据荷载工况组合，可得出数十种分析结果，为了更好的反映箱涵极限承载能力下的受力状态，选取典型工况组合下的计算成果见图2～图5。

通过有限元计算结果可以直观的反映箱涵的内力情况，根据箱涵结构在不同工况下的受力情况，为静力计算提供依据，对结构进行配筋。由于有限元计算能够对结构进行整体性力学分析，与结构力学中静力计算方法相比，更能真实反映实际情况，能够验证结构形式和材料强度的合理性，从而分析结构的安全性。

3 结语

本文采用MIDAS有限元分析软件对弥散钢筋的钢筋混凝土整体式模型进行模拟，较一般静力计算更能准确、真实的反映结构受力状态，因此有限元计算结果能够为结构设计提供准确信息。

由于钢筋混凝土结构具有非常复杂的性质，特别是结构受水压力等反复加载、卸荷或路面道路突然加载等，类似循环载荷、动力荷载对模型计算有很高的要求，这将是在今后的工作中的研究重点。

由于该钢筋混凝土箱涵壁厚较大，接近大体积混凝土限值，因此施工期间的温度应力对结构受力状态影响较大，如果不能很好的控制混凝土入模温度、内外温差或养护不利等，都会使混凝土开裂，严重的会形成贯通性裂缝，从而对结构的耐久性产生极为不利的影响，造成构建失去其使用特性，因此温度应力是该类结构计算时必须考虑的问题。

该箱涵结构为地下构筑物，同时鉴于该工程的重要性，因此混凝土必须满足规范要求，应严格控制碱含量、氯离子含量等参数，避免对结构耐久性产生不利影响，这也是今后结构分析中应该重点关注的问题。

[1]段旻罡.钢筋混凝土箱涵非线性有限元分析.天津:天津大学,2004.

[1]黄福才,吴换营.ANSYS软件在现浇钢筋混凝土箱涵结构计算中的应用.南水北调与水利科技,2009,7(6):308-311.

Finiteelementanalysisonreinforcedconcreteboxculvertstructureofnuclearpowerplant

ZhangFuzheng1ChenYang1GuoGuangsheng2ZhangYingying2

(1.State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100095, China;2.Langfang Traffic Highway Engineering Corporation 2nd Ltd, Langfang 065000, China)

Inordertoaccuratelyreflecttheforcesituationofanuclearpowerplantreinforcedconcreteboxculvertstructure,thispapermadeoverallmodelingcalculationusingMIDASfiniteelementanalysissoftwaretoreinforcedconcretestructure,thegainedresultscouldprovideaccurateinformationforthestructuraldesign,soastoensurethesafeoperationofnuclearpowerplant.

reinforcedconcreteboxculvert,nuclearpowerplant,finiteelement

1009-6825(2015)21-0029-03

2015-05-11

张福征(1986- )，男，硕士，助理工程师； 陈 阳(1986- )，女，硕士，助理工程师； 郭广生(1983- )，男，工程师；张营营(1985- )，女，助理工程师

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