核电厂房筏基底板的配筋设计方法研究

王 鹏 沈 亮

(中国核电工程有限公司，北京 100840)



核电厂房筏基底板的配筋设计方法研究

王 鹏 沈 亮

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

以某核电站电气厂房整体计算为例，采用路径积分法，建立了有限元分析模型，并进行了筏基底板配筋计算，计算结果可信度高，可为同类工程提供参考。

ANSYS，路径积分，核电厂房，配筋量

目前，在核电厂房配筋计算时，大多采用有限元软件ANSYS进行计算分析，得到结构的内力，再依据《XX核电站内部结构厂房配筋计算说明》进行配筋，该方法需要得到单元的薄膜力、弯矩及剪力。在核电厂房有限元模型中，墙、板构件大多采用适用于模拟薄壳和中等厚度壳结构的壳单元Shell181模拟，Shell181单元的输出结果包括平面内薄膜力N11，N12和N12，平面外弯矩M11，M12和M11，以及平面外剪力Q13和Q23，输出的8个单元内力与《XX核电站内部结构厂房配筋计算说明》中所需的内力完全一致，因此采用该方法在壳单元配筋计算的应用上有了较多的研究，应用也较广。

由于核电厂房筏基底板厚度一般较厚，不能采用模拟薄壳和中等厚度壳结构的壳单元来模拟，因此在核电厂房筏基整体计算时，均采用实体单元来模拟。在实体单元输出的结果中，无法直接得到所需的8个单元内力，因此还需采用其他方法得到适用于上述方法的8个单元内力，以实现实体单元的配筋计算。

针对上述问题，本文将以某核电站电气厂房整体计算为例，采用路径积分的方法提取实体单元的内力，并对筏基底板进行配筋计算。

1 路径积分法的原理

在有限元软件ANSYS中的3D实体单元只能输出单元应力，不能直接输出单元内力，但在ANSYS后处理中，可以采用路径操作功能[1]，将应力结果映射到路径上，并对路径结果进行各种数学运算和微积分运算，从而获得计算所需的结果。对于筏基底板而言，在ANSYS后处理时，应选取应力相对较大区域的断面作为典型的路径[2]，根据弹性应力S在断面上的拉压分布正负的情况，对筏基厚度h进行应力路径积分[3]，即可得筏基底板厚度方向的总薄膜力N及平面外剪力Q。同理，将积分得到的筏基底板厚度方向的总薄膜力N对中和轴取距，即可得筏基底板厚度方向的总弯矩M。计算筏基底板厚度方向的总薄膜力N及总弯矩M的原理如下式：

N=b∫Sdh

(1)

M=b∫S(h-h0)dh

(2)

其中,dh为对筏基底板厚度方向进行积分，可根据实际模型需要，将厚度分成n等份；b为结构单位宽度，取为1；h-h0为该应力所在位置与中和轴的相对高度。

2 有限元模型

2.1 模型的基本信息

某核电站电气厂房底板标高为-10.6 m，顶部标高28.4 m，总高为39 m，其中筏基底板厚度分别为3 m,2.4 m,1.4 m。在厂房的有限元分析模型中，单元尺寸在0.5 m左右，共有单元118 534个，节点388 063个，筏基底板采用实体单元Solid65模拟，筏基模型见图1。上部结构的墙、板构件采用壳单元Shell181模拟，基底土—结构相互作用采用弹簧单元Combin14模拟，厂房整体模型见图2。

2.2 材料参数

在有限元分析模型中，混凝土材料采用线弹性材料模型，混凝土强度等级为C40，钢筋选用HRB400级热轧带肋钢筋。基底土—结构相互作用采用三维弹簧系统来模拟，地基静态弹簧刚度，参照能标计算方法，得到的弹簧刚度为：

KZZ=KXX=KYY=2.54×1011N/m。

地基动态弹簧刚度，按照等效弹簧刚度公式[3]，按矩形底板计算，计算的刚度值为：

KX=KY=7.27×1011N/m;KZ=9.18×1011N/m。

绕X轴：Kφx=4.096×1015N/m；

绕Y轴：Kφy=3.969×1015N/m。

2.3 荷载及工况组合

按照规范[4]以及工程实际的要求考虑荷载和荷载组合[5]，包括正常运行荷载，异常荷载，严重环境荷载以及极端环境荷载的工况组合方式进行配筋计算。

2.4 计算分析过程

由于该核电电气厂房的底板采用实体单元，ANSYS结果输出时不能直接输出内力，需采用路径积分法提取内力。内力提取时，X轴方向和Y轴方向各提取五个典型的剖面，作为配筋计算的控制截面。

2.5 配筋计算结果

表1 底板包络后的配筋结果

底板部分路径配筋结果见表1，其中计算值指路径积分法计算得到配筋结果计算值，原值指电气厂房实际配筋量，裕度指原值与计算值的差值比实际配筋量的百分数。由表1可知，路径积分法计算得到的配筋结果与实际配筋量相比，有一定的裕度，符合实际工程设计要求。

3 结语

采用ANSYS后处理器中路径积分法更加可以快捷、方便的读取单元的应力，并在相应的路径上进行各种数学运算和微积分运算，从而获得计算筏基底板所需的单元内力，并通过得到的单元内力应用到核电厂房相关配筋计算公式中，进而求得筏基底板的配筋量。在核电厂房整体计算过程中，采用ANSYS的前处理可以精确的模拟结构的材料本构、边界条件以及各个荷载工况组合，相比其他平面计算方法或结构力学方法，计算的结果更加合理，而在此基础上，采用路径积分的方法，可以为核电厂房筏基底板的配筋计算，提供了一种精确、可操作的配筋计算方法。

[1] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2015:316-320.

[2] 刘玲玲，吴永恒.有限元法在大体积混凝土结构配筋计算中的应用[J].人民长江，2012(9):21-24.

[3] 程亚娟，简 政，冯宏团.非杆件结构体系弹性应力配筋法[J].西北水利发电，2005(9)：30-33.

[4] GB 50010—2010,混凝土结构设计规范[S].

[5] 压水堆核电厂核安全有关的混凝土结构设计要求[Z].

Study on reinforcement design methods of raft-base board of nuclear-power plant

Wang Peng Shen Liang

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd,Beijing100840,China)

Taking the integral calculation of the electrical workshop of nuclear power station as an example, applying path integral method, the paper establishes finite element analysis model, carries out raft-base board reinforcement calculation, and achieves high reliable results, which can provide some guidance for similar engineering.

ANSYS, path integral, nuclear-power plan, reinforcement quantity

1009-6825(2017)15-0045-02

2017-03-15

王 鹏(1989- )，男，助理工程师; 沈 亮(1989- )，男，助理工程师

TU318

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