压水堆核电厂大型设备套筒型螺栓锚固系统受力状态分析与数值模拟

李叶敏，白明鑫，程 亮

(深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518172)

1 锚固系统介绍

设备、系统是实现核电厂功能的主要组成，土建结构为设备、系统提供支撑，设备、系统的荷载要可靠地传到结构上，因此，设备基础及锚固设计是结构设计极其重要的一个环节。核岛厂房内的蒸汽发生器、主泵、稳压器等主设备，具有重量大、体型高的特点，其基础及支承在极限安全地震及一回路冷却剂丧失事故(LOCA)工况下的拉力高达数百吨，主给水流量控制系统(ARE)、主蒸汽系统(VVP)等重要管道的防甩限制件在事故工况下的甩击荷载，也往往高达数百吨，这些设备和系统、管道都承担着与核安全相关的重要功能，与核岛土建结构构件的连接和锚固的可靠，是这类设备和系统发挥作用的前提条件。

一般工业设备使用的地脚螺栓，主要通过螺杆的锚固深度、间距、基础尺寸等构造措施来保证承载力，在拉力作用下，混凝土的主要破坏形态为锥体破坏、劈裂破坏、边缘破坏(见图1)，均属于混凝土受拉破坏，受限于混凝土的抗拉强度低，其受拉承载力一般不高，难以满足核岛大型设备荷载大、可靠性高的要求，同时，受制于厂房空间及设备、系统布置，普通的地脚螺栓锚固系统也难以为大型设备提供足够的基础尺寸。

图1 普通地脚螺栓混凝土受拉破坏示意图Fig.1 Failure of concrete under tension loading for normal anchor bolts

压水堆核电厂中的蒸汽发生器(见图2)、主泵、稳压器等主设备的支承锚固系统均采用如图3所示的套筒型螺栓锚固系统，由受压混凝土、薄壁套筒、螺杆、螺母、端板、基板、可压缩密封材料、保护罩等组成，其中混凝土、螺杆、螺母、端板、基板是锚固系统的主要受力部件，薄壁套筒用于成孔，在对螺杆张拉时，避免混凝土与螺杆之间的黏结力，可压缩密封材料起密封作用，防止灌浆或二次浇筑混凝土时水泥浆流入到套管内，在施工时还需灌入石蜡或油脂防腐材料，对螺杆起保护作用。对于一些重要设备的螺杆，有在役检查和更换要求，设计成穿楼板或墙体的套筒型螺栓(见图4)，克服了普通地脚螺栓无法更换的缺点。

图2 蒸汽发生器支承示意Fig.2 Supports of steam generator1—上部水平支承；2—垂直支承

图3 套筒型螺栓组成Fig.3 Anchor bolt with sleeves

图4 套筒型螺栓锚固系统(穿墙或板)Fig.4 Anchor bolt with sleeves(crossing wall or slab)

套筒型螺栓锚固系统的主要施工步骤如下：

1)土建施工阶段，在墙体或楼板中预埋薄壁套管，若为非穿墙(板)的螺栓，需要将端板、螺杆等提前组装预埋；

2)安装螺杆、端板、基板等部件；

3)在基板底部灌浆，使基板与端板之间填充混凝土及灌浆料；

4)使用张拉设备，对螺杆进行张拉，张拉后拧紧螺母，同时，混凝土施加预紧力。

2 各阶段受力状态分析

与普通的地脚螺栓相比，套筒型螺栓锚固系统最重要的特征是对锚栓施加很大的预紧力P，螺杆周围混凝土承受较大的预压力。在外部不同荷载类型作用下，锚固系统呈不同的受力状态，与普通地脚螺栓破坏模式完全不同。

2.1 安装阶段

在安装阶段，需要对螺杆施加预拉力P，锚固系统的受力状态为混凝土受压，螺杆受拉，内力均为P，混凝土端板及基板处混凝土所受到的压应力σc=P/A，螺杆拉应力σs=P/Abolt，受压混凝土的主应力迹线呈现对称的核桃体形状，如图5所示。

图5 紧固阶段混凝土主压应力迹线Fig.5 Principle stress distribution of concrete during the tightening

2.2 外荷载为拉力

2.2.1 理论分析模型

为研究套筒型螺栓锚固系统的受力特性，建立套筒型螺栓锚固系统的理论分析模型，用于分析锚固系统中混凝土、螺杆等的受力情况，假设如下：

1)端板、基板、及混凝土在承受预紧力及外荷载作用下，处于弹性工作阶段；

2)混凝土处于单轴应力状态，只考虑基板、端板与混凝土接触界面的应力。

首先以受压的端板、基板及其中间的混凝土为研究对象，假设等效弹性模量为Ee，混凝土的受压面积为Ae。根据材料力学[1]胡克定律，当整体模型承受轴力Fe作用时，模型的变形量为：

(1)

根据变形协调，模型的变形量为基板、混凝土及端板的变形量之和，即

(2)

由此得到模型的等效线刚度

(3)

式中，H为模型总厚度，H=th+h+tb；Eh、Ec、Eb为端板、混凝土、基板的弹性模量；h为端板与基板之间混凝土厚度，th、tb为端板、基板的厚度。

取锚固系统整体作为研究对象，建立套筒型螺栓锚固系统的理论分析模型(见图6)，当锚固系统受外力F时，其变形量

图6 套筒型螺栓锚固系统的理论分析模型Fig.6 Theoretical analysis model of Anchor bolt with sleeves

图7 锚固系统受拉时受力分析示意Fig.7 Force analysis of anchor system under tension loading

(4)

式中，Ebolt为螺杆的弹性模量，Abolt为螺杆的有效截面积。

根据胡克定律，可得到螺杆的内力变化

(5)

令λ=kbolt/(kbolt+ke)，其中kbolt为螺杆的线刚度kbolt=EboltAbolt/H，则ΔF=λF。

2.2.2 外荷载为拉力的受力分析

当锚固系统受到的外荷载为拉力FET时，分别取基板、端板为研究对象，见图8(a)、(b)，根据力的平衡，有：

图8 受拉时混凝土主压应力迹线Fig.8 Principle Stress Distribution of concretewith external tension load

Fbolt=Fcb+FET

(6)

Fbolt=Fch

(7)

根据第2.1节的理论分析，螺杆受到的拉力为P+λFET，由此可推导出基板处混凝土所受的压力

F′cb=P-(1-λ)FET

(8)

端板处混凝土受到压力

F′ch=P+λFET

(9)

同时，为避免由于预紧力P过小，导致出现混凝土的受拉破坏，基板与混凝土分离，不满足弹性工作阶段，应满足F′cb>0，即

(10)

根据上述分析，当锚固系统受到拉力时，螺杆受到的拉力和端板处混凝土受到的压力将增大λFET，基板处混凝土受到的压力将减小，混凝土仍保持受压状态，混凝土主压应力迹线如图8所示，其压应力迹线呈现端板处稠密，并向两侧扩张的趋势。

2.3 锚固系统受外荷载为压力

当锚固系统受到外荷载为压力FEC时，根据2.2.1节分析，螺栓受到的拉力为P-λFEC，取基板为研究对象，其受力示意如图9所示，根据力的平衡，有

图9 锚固系统受压时基板受力分析示意Fig.9 Force analysis of base plate under pressure loading

Fcb=Fbolt+FEC

(11)

基板处混凝土承受的压力为

F′cb=P+(1-λ)FEC

(12)

取端板为研究对象，得到端板处混凝土压力

F′ch=P-λFEC

(13)

当锚固系统受到压力时，螺杆受到的拉力和端板处混凝土受到的压力将减小，基板处混凝土受到的压力将增大，混凝土仍保持受压状态，混凝土的主压应力迹线图如图10所示，其压应力迹线在基板处更加密集。

图10 受压时混凝土主压应力迹线Fig.10 Principle Stress Distribution of concretewith external compressive load

不同阶段螺杆拉力和不同阶段端极，基板处混凝土压力数值分别见表1、表2。

表1 不同阶段螺杆拉力Table 1 Tensile force of boltat different phases

表2 不同阶段端板、基板处混凝土的压力Table 2 Concrete pressure at the head plate and base plate of anchor bolt with sleeves system at different phases

3 数值模拟分析

采用ansys软件对套筒型螺栓锚固系统的受力进行数值分析。

3.1 建模

对套筒型螺栓锚固系统的各阶段的受力状态进行分析，采用shell43单元模拟楼板、端板及基板，其中端板、基板及混凝土的材料性能参数见表3、表4，楼板厚度为0.8 m，端板和基板的尺寸均为0.4 m×0.4 m，端板和基板的厚度为0.06 m，螺杆直径为80 mm。

表3 端板、基板及螺杆弹性模量Table 3 Elasticity modulus of head plates，base plates and bolts

表4 混凝土参数[2]Table 4 Concrete parameters

3.2 边界条件及加载

网格划分后，约束楼板四周节点的6个自由度(3个平动自由度，3个转动自由度)，在计算时，采用分步加载，首先在基板和端板的表面施加预紧力，再分别在基板上施加拉力和压力，模拟锚固系统受外荷载为拉力和压力。

3.3 模拟结果分析

Ansys有限元模拟结果显示，在施工紧固阶段，套筒型螺栓锚固系统混凝土呈现受压状态，压应力迹线呈对称的核桃体形状，在局压下，有横向拉应力。

当在端板处施加拉力时，锚固系统间的混凝土仍然受压，但端板处的混凝土的压力将增大，基板处的混凝土压力将减小。

当在端板上施加压力时，端板处的混凝土的压力将增大，基板处的混凝土压力将减小。

有限元模拟结果与理论分析结果基本吻合，套筒型螺栓锚固系统在受到外荷载时，混凝土都受压，仅对荷载类型不同，不同部位的混凝土所受的压力大小不一致，其内部应力呈现不同的形态详见图11～图15。

图11 紧固阶段Y向应力(平行于螺杆方向)Fig.11 Stress of concretein Y direction during the tightening

图12 紧固阶段X向压力(垂直螺杆方向)Fig.12 Stress of concretein X direction during the tightening

图13 紧固阶段主应力Fig.13 Principle Stress Distribution of concrete during the tightening

图14 外荷载为拉力下的混凝土主应力云图Fig.14 Principle Stress of concretewith external tension load

图15 外荷载为压力下的混凝土主应力云图Fig.15 Principle Stress of concretewith external compressive load

4 结论

通过对带预紧力套筒型螺栓锚固系统的各阶段受力分析及数值模拟的研究表明：

1)套筒型螺栓锚固系统由于施加了较大的预紧力，各种工况下，螺杆始终受到拉力，而混凝土保持受压状态，其破坏形态与普通地脚螺栓完全不同；

2)当锚固系统外荷载为拉力FET时，螺杆的拉力增大，端板处混凝土所承受的压力也增大，而基板处的混凝土所受的压力减小；

3)当外荷载为压力FEC时，螺杆所承受的拉力减小，端板处混凝土所承受的压力将减小，基板处的混凝土压力增大；

4)套筒型螺栓锚固系统充分利用螺杆的受拉性能与混凝土的受压性能，承载力不受凝土受拉破坏形态控制，比较适用于对受拉承载力要求较高的核电厂大型设备的锚固。