APC壳防飞机撞击机械接头的性能要求及使用范围优化

冯芝茂，蔡利建

(中国核电工程有限公司 建筑结构所，北京 100840)

美国“9·11事件”之后，核电厂等重要构筑物遭受大型商用飞机撞击的潜在可能性引起了公众与政府部门的关切。包括我国“华龙一号”在内的国内外第三代核电堆型均将抗商用大飞机撞击能力作为主要性能特征，同时各国也进行了大量的研究来评估第三代核电堆型抵御飞机蓄意撞击的能力。美国核管理委员会在2009年修订了联邦法规10 CFR 50，要求申请新建核电厂时必须评估大型商用飞机撞击对核电厂的影响；中国国家核安全局2016年修订HAF 102[1]法规时也对抗商用大飞机撞击提出了要求。

图1 APC壳竖向剖面图Fig.1 Virtical section view of the APC shell

核电厂APC壳主要用于抵抗商用大飞机的撞击。APC壳是钢筋混凝土结构，由外层安全壳以及燃料厂房、电气厂房的外层防护厂房组成。APC壳竖向剖面图如图1所示，水平向剖面图如图2所示。APC壳设计时除了需要进行抗商用大飞机撞击分析评估外，还需要对使用的建筑材料的性能进行相应的规定，保证材料性能与计算分析假定一致。目前我国在这方面还缺乏相应的技术支持文件，因此有必要进行相关的研究对抗飞机撞击特殊机械接头的性能做出相关要求与限制，并尽量减小这种特殊建造材料的使用范围，降低工程造价。

图2 APC壳水平向剖面图Fig.2 Horizontal section view of the APC shell

1 抗飞机撞击机械接头的性能指标与使用范围

参考国内外规范并咨询相关制造厂家，从钢筋机械连接接头的抗拉强度、残余变形、最大力下的接头总伸长率、高应力与大变形反复拉压性能、瞬间加载冲击性能等方向进行研究与调研，形成了抗飞机撞击用钢筋机械接头的工程技术文件。

设计时通过对外层安全壳与防护厂房各墙体开展撞击敏感性分析，研究厂房各墙体在受到大飞机撞击时各区域的纵向钢筋应变值，确定墙体撞击的敏感区域，在该区域使用抗飞机撞击用特殊钢筋机械接头，在非撞击敏感区域使用普通机械接头。最终在 APC壳的设计中减小了特殊机械接头的使用范围，降低了工程造价。

2 抗飞机撞击机械接头的性能要求分析

机械接头单向拉伸时的强度和变形是机械接头的基本性能。机械接头在高应力下的反复拉压性能反映了接头在风荷载和小于极限安全地震作用下承受高应力反复拉压的能力，而大应变反复拉压性能则反映结构在超出极限安全地震作用或其他超设计基准事件下钢筋进入塑性变时机械接头的延性能力。参考《钢筋机械连接技术规程》JGJ 107—2016[2]和法国核电设计标准ETC-C[3]的要求，对上述常规性能做了如下要求。

（1） 钢筋接头试件进行抗拉强度试验时，只允许试件断于钢筋母材上（即接头长度以外区域，接头长度定义为套筒长度加两边各两倍钢筋直径的范围），且试件的实测抗拉强度不小于钢筋的抗拉强度标准值。进行单向拉伸试验时，钢筋接头的残余变形u0≤0.1 mm。HRB500级钢筋的最大力下的接头总伸长率Agt≥6%。

（2） 抗飞机撞击机械接头在高应力反复拉压试验残余变形u20≤0.3，大变形反复拉压试验残余变形u4≤0.3且u8≤0.6。即要求钢筋在承受 2倍（5倍）于钢筋屈服应变的大变形情况下，经受 4次（8次）反复拉压后，满足相应的变形要求。

抗飞机撞击机械接头的常规性能与 JGJ 107—2016中规定的Ⅰ级机械接头的要求是相当的。

瞬间加载冲击试验是模拟外层安全壳和防护厂房在经受飞机撞击时，撞击力急剧增大，加载应变率达到 1.0 s-1，这种情况下混凝土和钢筋的极限强度也会增大，高于静载下得到的极限强度，极限强度的增大往往会导致变形能力的下降，因此，需要保证在撞击过程中接头的破坏必须发生在钢筋母材上，满足高加载速率下接头总伸长率Agt≥5%的大变形要求。瞬间加载冲击性能要求是抗飞机撞击特有的性能要求，瞬间加载冲击变形要求是与大飞机撞击计算分析时采用的假设是一致的。即在大飞机撞击计算分析时，如果钢筋的应变率下超出5%，则认为钢筋已断裂失效。

目前国内的检测实验室只具备单向拉伸性能、高应力反复拉压性能和大变形反复拉压性能这些常规性能的试验能力，“华龙一号”中抗飞机撞击机械接头的瞬间加载冲击性能需要通过德国的实验室获得。

3 基于撞击敏感性分析的特殊接头使用范围优化

通过对外层安全壳与防护厂房各墙体开展撞击敏感性分析，研究厂房各墙体在受到大飞机撞击时各区域的纵向钢筋应变值，确定墙体撞击的敏感区域，在该区域使用抗飞机撞击用特殊钢筋机械接头，在非撞击敏感区域使用普通机械接头。

3.1 建立分析模型

首先需要建立APC壳的三维有限元非线性分析模型，在模型中混凝土用实体单元模拟。钢筋用梁单元模拟，与混凝土单元耦合在一些，来模拟钢筋混凝土的真实行为。飞机模型采用SPH粒子。考虑到计算机性能的限制，为了减少计算时间，只有撞击区域所在厂房采用上述方式来模拟钢筋混凝土的非线性损伤行为，其他厂房采用分层壳单元来模拟，采用壳单元的厂房与采用实体单元的厂房通过节点插值约束来实现内力传递。由于钢筋混凝土的非线性响应只发生在撞击点附近区域，因此在工程中采用了对应于三个厂房的三个独立的分析模型。APC壳计算分析模型如图3所示。

3.2 确定撞击分析工况并进行计算

在APC壳的设计中，考虑了商用大飞机的撞击工况。商用大飞机的撞击工况共16种，编号为LCC1～LCC16。

图3 分析模型Fig.3 Analysis model

LCC1、LCC16作用于外层安全壳的筒体部分的中部。LCC2作用于外层安全壳的筒体部分和穹顶部分的交接处。LCC3作用于APC壳外挂水箱隔板与楼板的交接处。LCC4作用于外层安全壳的穹顶部分的跨中位置。LCC5作用于外层安全壳的穹顶部分半跨的中部位置。LCC4作用于外层安全壳的穹顶部分的跨中位置。LCC6作用于墙体KB0001的中部。LCC7作用于墙体 KB0002的中部。LCC8作用于墙体KB0003的中部。LCC9作用于墙体LB0002的中部。LCC10作用于墙体 LB0004的中部。LCC11作用于墙体LB0006的中部。LCC12作用于楼梯间墙体的中部。LCC13、LCC14和LCC15作用于所有暴露在外的关键屋面板的中部。撞击示意图如图4～图6所示。

图4 大型商用飞机的撞击位置（1）Fig.4 Impact position of large commercial aircraft（1）

图5 大型商用飞机的撞击位置（2）Fig.5 Impact position of large commercial aircraft（2）

图6 大型商用飞机的撞击位置（3）Fig.6 Impact position of large commercial aircraft（3）

3.3 抗飞机撞击机械接头的使用范围优化

下面以工况 LCC6为例，对纵向钢筋抗撞击特殊接头的优化过程进行具体说明。

LCC6作用于墙体KB0001，位置如图1和图 2所示，撞击角度与水平面成 0°角。LCC6含三个子工况，分别撞击墙体 KB0001上部、中部、下部。在撞击墙体中部时，位移R最大时刻的位移云图如图 8所示，最大位移出现在0.349 s时刻，最大位移为0.468 m。

墙体中部在飞机撞击工况下，内侧纵筋的最大轴向力如图9所示，外侧纵筋的最大轴向力如图10所示。墙KB0001的最大轴向力与最大应变如表1所示，墙 KB0001抗飞机撞击机械接头的使用范围如表2所示。

图7 工况LCC6撞击示意图Fig.7 General view of LCC6

图8 工况LCC6撞击方向位移云图Fig.8 Displacement contours along impact direction of LCC6

图9 墙KB0001内侧纵筋的最大轴向力Fig.9 Maximum axial force of the inner side longitudinal rebar in KB0001

图10 墙KB0001外侧纵筋的最大轴向力Fig.10 Maximum axial force of the outer side longitudinal rebar in KB0001

表1 墙KB0001的最大轴向力与最大应变Table 1 Maximum axial force and stain of rebar in KB0001

表2 墙KB0001抗飞机撞击机械接头的使用范围Table 2 Application range of mechanical joints for aircraft collision in KB0001

墙体纵筋采用HRB500级钢筋，屈服强度标准值为500 MPa，弹性模量为200 GPa，由此可计算出极限弹性应变为 0.25%，即弹性应变阈值。飞机撞击过程中，处于极限弹性应变以内的钢筋，变形很小，普通的钢筋机械接头即可满足要求，超出极限弹性应变时，材料进入了弹塑性受力阶段，变形较大，需要使用抗飞机撞击机械接头，当钢筋应变进一步超出塑性极限应变5%后，认为钢筋已经断裂。

表2汇总了LCC6工况下，撞击墙体不同标高时，墙体内、外侧纵筋超出弹性应变阈值的范围，可以看出，在飞机撞击区域附近和墙体根部的内外侧纵向钢筋应变均超过弹性应变阈值。这与概念分析的结果是一致的，即在飞机撞击区域墙体的正弯矩区和墙体根部的负弯矩区受力最大，钢筋进入弹塑性受力阶段，机械接头也相应采用特殊接头。对于墙体根部区域，设计时采取加长插筋的方式，以覆盖墙体根部非线性受力区域。因此，对于墙KB0001，抗飞机撞击机械接头的设计使用范围为-6～40.7 m。

对于其他撞击工况和其他构件，可采取相同的设计优化思路，开展撞击敏感性分析，构件优化前、后的特殊接头使用范围如表4所示。值得注意的是，对于一些墙体（如 KB0006，KB0007），由于相邻厂房的阻挡作用，墙体的大飞机撞击区域较小，相应的墙体特殊接头使用范围也就更小。

3.4 优化工作成果

单台机组通过撞击敏感性分析后，APC壳各墙体特殊接头使用范围大大减小。与优化前的使用范围对比结果如表 3～表 5所示，单台机组优化面积总计14 531 m2，节约了工程造价约1 017.2万元。

表3 KB防护厂房抗飞机撞击用特殊钢筋机械接头优化面积统计Table 3 Application range of mechanical joints for aircraft collision in KB building

表4 LB防护厂房抗飞机撞击用特殊钢筋机械接头优化面积统计Table 4 Application range of mechanical joints for aircraft collision in LB building

续表

表5 外层安全壳抗飞机撞击用特殊钢筋机械接头优化面积统计Table 5 Application range of mechanical joints for aircraft collision in RB building

4 结论

采用的机械接头性能要求与优化结果适用于“华龙一号”，对于采用双层安全壳和外防护厂房的布置可直接应用，目前在福清核电5、6号及巴基斯坦K-2、K-3项目中已经得到应用。在未来的“华龙一号”改进方案中，电气厂房和燃料厂房取消APC壳后，通过加厚的外墙抗飞机撞击，利用本报告中方法可以进一步分析抗飞机撞击特殊机械接头的使用范围，达到优化设计的效果，降低工程造价。