密封小室整体打压设计和试验分析

□李金艳 杨风松

一、概述

密封小室为核安全级、抗震I类的钢筋混凝土结构，顶板、底板厚2m，四周墙体厚1.5m，长×宽×高为5.4×4×4.6m，内设不锈钢覆面，钢覆面与混凝土结构共同作用，包容严重事故工况下的高温及高压液体。

为了确保密封小室在事故压力下的密封可靠性，需对密封小室混凝土结构进行整体性试验，据此对密封小室混凝土结构的完整性和安全性进行评定，从而为密封小室结构的成功建设提供可靠的试验依据。参照《压水堆核电厂安全壳结构整体性试验》(NB/T 20017-2010)的要求，试验压力应达到厂房结构设计压力的1.15倍。严重事故时密封小室结构内部压力值为2MPa，所以打压试验的最大内外压差应为2.3MPa。

二、试验内容

根据《压水堆核电厂安全壳结构整体性试验》(NB/T 20017-2010)的要求，进行压力试验时，密封小室的钢筋混凝土结构进行以下几方面的试验检测。

(一)结构整体变形。测试在各等级试验压力下墙体的外凸变形。

(二)非预应力钢筋应力测量。测量在各等级试验压力下墙体在水平和垂直两个方向上主筋的应力值；混凝土应变应力测量：试验压力下墙体混凝土在水平和垂直两个方向上的应变应力值。

(三)表面裂缝。观测在各等级试验压力下墙体外表面混凝土是否会出现微细裂缝。

(四)外观质量检查。对密封小室的压力边界外观全面检查。检查范围包括裂缝、蜂窝、麻面、孔洞、表面夹杂物、表面玷污及缺棱掉角等。

三、单元选择和有限元模型的建立

由于密封小室墙板厚度与跨度之比均大于1/5,属厚墙厚板结构,剪切变形不容忽略，应采用Mindlin/Reissner公式计算。考虑弹性计算分析结果与实际模型会有较大的偏差，本文采用更加精确的弹塑性分析，以便真实考虑混凝土开裂或钢筋进入塑性对结构整体刚度和应力分布的影响。

采用SAP2000有限元软件进行建模计算，建立密封小室的整体三维有限元模型如图1所示。模型中墙板均采用非线性分层壳单元，分层壳单元由各向钢筋层和混凝土层组成共同受力，考虑混凝土和钢筋的材料非线性。

图1 整体三维有限元模型

四、计算结果与试验对比分析

考虑结构自重，并在密封小室内部施加2.3MPa的压力，经计算求解，结构的最大变形和应力分别进行详细分析。

(一)整体变形。由图2可以看出，打压状态下，密封小室墙体中部的变形最大，在Z向的最大变形值为2.1mm，与1.9mm的试验测定值基本一致。

图2 整体变形

(二)钢筋、混凝土的应力分布。在荷载作用下墙体外侧的跨中钢筋和内部的端部钢筋的计算应力最大，分别为74.8MPa和192MPa，如图3所示，试验测得的最大应力分别为82MPa和185MPa：HRB400级钢筋的强度设计值为360MPa，所以钢筋强度满足设计要求。

a)墙体外侧跨中钢筋应力 b)墙体内侧端部钢筋应力图3 钢筋应力图

混凝土的试验应力达到了5MPa，已经超过了C35混凝土的抗拉强度标准值2.2MPa，说明混凝土已进入带裂缝工作状态。

(三)墙体裂缝。在最大压力载荷作用下,外侧跨中出现了局部范围的开裂，实测最大裂缝达到了0.2mm,小于裂缝计算值0.29mm。

五、结论和建议

通过上述计算分析，可以得出如下结论：第一，采用非线性分层壳可以较好地模拟厚墙厚板的弹塑性力学特性。第二，由于压力较高，墙体在弯矩较大处裂缝开展明显，为确保结构的密封性，结构内侧宜采用钢覆面作为密封压力边界。第三，对于压力较高的密封小室，需要密切关注高压下的裂缝缺陷，建议采用预应力结构控制结构裂缝。