AP1000核電廠OLP型預(yù)埋件有限元分析方法研究

李 成 李韶平 劉建衛(wèi)

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

AP1000核電廠OLP型預(yù)埋件有限元分析方法研究

李 成 李韶平 劉建衛(wèi)

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

作為世界上最先進(jìn)的第三代核電技術(shù)，AP1000首堆正在中國(guó)建造。AP1000核電站廠房的一大特點(diǎn)是模塊化程度高，以鋼板混凝土模塊墻結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，模塊墻上需要布置大量的OLP(Overlay Plate)型預(yù)埋件以連接其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件，比如支撐工藝管道、設(shè)備支架、操作平臺(tái)、預(yù)制構(gòu)件等，因此預(yù)埋件的設(shè)計(jì)是AP1000結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)。本文介紹了預(yù)埋件的有限元分析方法，將開(kāi)發(fā)的GTStrudl命令流模板和基于Microsoft Excel環(huán)境下的VBA宏處理程序應(yīng)用于預(yù)埋件的設(shè)計(jì)，顯著提高了工作效率，對(duì)工程設(shè)計(jì)具有一定的幫助和借鑒意義。

AP1000，OLP型預(yù)埋件，GTStrudl有限元軟件，VBA宏處理程序

安全是核電站的生命線。AP1000是較為成熟的第三代核電技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是廠房建造采用模塊化技術(shù)，即以模塊墻（鋼板混凝土墻結(jié)構(gòu)）取代傳統(tǒng)的混凝土墻，系統(tǒng)得到大幅簡(jiǎn)化?；谀K墻的特點(diǎn)，模塊墻上需要使用大量的OLP(Overlay Plate)型預(yù)埋件來(lái)連接其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件，比如連接并支撐工藝管道、設(shè)備支架、預(yù)制板、鋼樓梯等。OLP型預(yù)埋件屬于抗震I類(lèi)構(gòu)件，因此，預(yù)埋件的設(shè)計(jì)在模塊設(shè)計(jì)中尤為重要，需要十分重視。AP1000模塊墻中的預(yù)埋件應(yīng)該根據(jù)核安全相關(guān)混凝土規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文介紹了預(yù)埋件的有限元分析方法，使用GTStrudl[1]命令流建立OLP型預(yù)埋件有限元模型并對(duì)其進(jìn)行分析，得到應(yīng)力變形情況，根據(jù)自行編制的Excel VBA[2]宏處理程序，對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，得到預(yù)埋件的承載力，采用規(guī)范規(guī)定的荷載組合對(duì)承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

1 分析方法

OLP型預(yù)埋件是一種特殊的預(yù)埋件，專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于鋼面板厚度為0.5″(14 mm)的模塊墻中，由預(yù)埋板、機(jī)械套筒和變形錨筋三部分組成(見(jiàn)圖1)。由于模塊墻鋼板和預(yù)埋板之間有一定間隙，導(dǎo)致機(jī)械套筒除了受軸向應(yīng)力外，還受剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的影響。

圖1 OLP型預(yù)埋件 (a) 平面圖；(b) 側(cè)視圖Fig.1 OLP embedment. (a) plan view; (b) lateral view

OLP預(yù)埋件的設(shè)計(jì)程序如下：首先根據(jù)預(yù)埋件實(shí)際尺寸，使用自編的GTStrudl命令流建模模板建立有限元模型，考慮不同荷載工況的作用，得到GTStrudl計(jì)算的應(yīng)力變形結(jié)果，然后使用Excel VBA宏處理程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行處理，基于線性的假定計(jì)算板和錨筋的承載力設(shè)計(jì)值。得到預(yù)埋板和錨筋的承載力以后，根據(jù)下列公式對(duì)預(yù)埋板和錨筋的強(qiáng)度分別進(jìn)行驗(yàn)算。

對(duì)于預(yù)埋板，須滿(mǎn)足以下方程：

對(duì)于錨筋，須同時(shí)滿(mǎn)足以下三個(gè)組合方程：

其中，T，Mx，My，V，Mz代表預(yù)埋件上的外荷載（考慮荷載組合系數(shù)）；Tp，Mxp，Myp代表預(yù)埋板的抗拉和抗彎承載力；Ts，Mxs，Mys代表錨筋的抗拉和抗彎承載力。

2 程序介紹

為提高計(jì)算效率，按照GTStrudl命令流格式編寫(xiě)了預(yù)埋件建模及計(jì)算的命令流模板，便于修改模型，通用性強(qiáng)。下面給出部分命令流：

在Microsoft Excel環(huán)境下使用VBA腳本語(yǔ)言編制的宏處理程序包括以下功能：對(duì)GTStrudl計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行讀取、處理，并計(jì)算出預(yù)埋件的承載力和剛度；對(duì)于預(yù)埋件距離混凝土自由邊距離較小的情況，需要根據(jù)規(guī)范ACI 349[3]的規(guī)定考慮混凝土可能發(fā)生剪切破壞并計(jì)算錨筋的抗剪承載力，該宏處理程序也包括了這部分的計(jì)算，然后取較小值作為錨筋的抗剪承載力；對(duì)外荷載進(jìn)行最后自動(dòng)變換坐標(biāo)系，并根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行各種工況的荷載組合；最后驗(yàn)算預(yù)埋件的承載力是否滿(mǎn)足要求。

下面給出該程序?qū)τ邢拊Y(jié)果進(jìn)行處理的部分VBA代碼：

該程序的部分窗口見(jiàn)圖2。

圖2 基于Microsoft Excel的VBA宏處理程序(a) 讀取GTStrudl計(jì)算的內(nèi)力和應(yīng)力結(jié)果；(b) 讀取GTStrudl計(jì)算的位移結(jié)果；(c) 計(jì)算結(jié)果的分析處理Fig.2 VBA macro procedure based on Microsoft Excel. (a) reading of member force and stress results; (b) reading of displacement results; (c) analysis for calculation results

3 有限元分析[4,5]

3.1計(jì)算模型

本文以CA01模塊墻上某一OLP型預(yù)埋件A為例計(jì)算并驗(yàn)算其承載力。該預(yù)埋件的尺寸為16″×24″×1″(406 mm×610 mm×26 mm)，板上有8根直徑d為0.75″(19 mm)的錨筋，預(yù)埋件A距離混凝土自由邊的距離充足，不考慮混凝土的剪切破壞。預(yù)埋件所支撐的工字梁通過(guò)連接件（牛腿）與預(yù)埋件連接，如圖3所示。

根據(jù)GTStrudl命令流模板文件建立計(jì)算模型，如圖4所示。預(yù)埋板由板單元模擬，單元尺寸為0.5″×0.5″(13 mm×13 mm)，機(jī)械套筒和錨筋由桿單元（構(gòu)件）模擬。計(jì)算中，外荷載傳遞到連接件上之后，通過(guò)焊縫傳遞到預(yù)埋板上。在此，將焊縫視為一組剛節(jié)點(diǎn)，并為其定義形心C1。錨筋端部設(shè)為固端約束。為了更好地模擬錨筋實(shí)際的工作狀態(tài)，有限元模型中錨筋的長(zhǎng)度取為實(shí)際長(zhǎng)度的一半進(jìn)行分析。使用彈簧模擬混凝土與錨板以及錨筋的相互作用。

圖3 預(yù)埋件A示意圖Fig.3 Sketch for embedment A.

圖4 計(jì)算模型 (a) 軸測(cè)圖；(b) 平面圖Fig.4 Isometric view(a) and plan view(b) of FEM model.

3.2混凝土承壓剛度

為更好地模擬實(shí)際情況，使用線性受壓彈簧模擬模塊墻中的混凝土，垂直作用在板單元的節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，混凝土的彈性模量和承壓剛度可以表示為：

其中，fc’=27.6 MPa，表示混凝土抗壓強(qiáng)度值[2]；m表示板的形狀系數(shù)（正方形時(shí)為0.95）；v表示泊松比（對(duì)于混凝土，取為0.17）；A表示板的面積。

考慮到預(yù)埋板和模塊鋼板之間的間距（最大為0.75’(19 mm)）影響，OLP型預(yù)埋件的彈簧承壓剛度曲線見(jiàn)圖5所示，該曲線的命令流在第2節(jié)中已經(jīng)給出。

圖5 OLP型預(yù)埋件的混凝土彈簧剛度曲線Fig.5 Concrete spring stiffness curve.

3.3計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)GTStrudl的計(jì)算分析，并運(yùn)用VBA宏處理程序，得到該預(yù)埋件的承載力，見(jiàn)表1。預(yù)埋件A的最大荷載如表2所示。

按照公式(1)?(4)校核預(yù)埋件A的強(qiáng)度值，結(jié)果符合要求，如表3所示。

表1 預(yù)埋件A的承力Table 1 Capacity for embedment A.

表2 預(yù)埋件A控制性外荷載Table 2 Controlling design loads for embedment A.

表3 預(yù)埋件A強(qiáng)度校核結(jié)果Table 3 Interaction ratio for embedment A.

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了OLP型預(yù)埋件的設(shè)計(jì)方法以及自編的基于VBA宏處理技術(shù)的有限元設(shè)計(jì)程序，得到如下結(jié)論：

根據(jù)相關(guān)規(guī)范總結(jié)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合GTStrudl有限元分析程序，得到的應(yīng)力、變形和內(nèi)力結(jié)果更為精確。

使用自編的GTStrudl命令流建模模板進(jìn)行建模和計(jì)算，并通過(guò)自編的Excel宏處理程序?qū)τ?jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，可以快速得到預(yù)埋板和錨筋的抗拉、抗彎、抗剪和抗扭承載力，并進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。該方法簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)，大大提高了計(jì)算效率。

針對(duì)預(yù)埋件距離混凝土自由邊距離較小的情況，還應(yīng)根據(jù)規(guī)范ACI 349的規(guī)定計(jì)算錨筋的抗剪承載力，并和GTStrudl計(jì)算得到的承載力進(jìn)行比較，取其較小值作為錨筋的抗剪承載力。如果承載力不足，可以通過(guò)增大預(yù)埋件尺寸或者在模塊墻中增加錨固鋼筋的方式來(lái)處理。

本文針對(duì)OLP預(yù)埋件的分析方法，同樣適用于核電廠中傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)埋件，文中提及的建模程序和Excel宏處理程序也同樣適用，只需做一些必要的修改即可，工程應(yīng)用價(jià)值高。

1 “GTStrudl”[CP], Version 29, by Georgia Tech Research Corporation

2 伍遠(yuǎn)高. Excel VBA開(kāi)發(fā)技術(shù)大全[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2009 WU Yuangao. Excel VBA Development Skill Summary[M]. Beijing: Tsinghua University press, 2009

3 ACI 349-01, Code Requirements for Nuclear Safety Related Concrete Structures[S]. American Concrete Institute, 2001

4 馬臣杰, 鐘玉柏, 許璇. 幕墻預(yù)埋件承載力非線性有限元分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2011, 41(2): 94?96 MA Chenjie, ZHONG Yubo, XU Xuan. Nonlinear finite element analysis of bearing capacity of embedded part in curtain wall[J]. Building Structure, 2011, 41(2): 94?96

5 李佳佳. 硬質(zhì)PVC預(yù)埋件力學(xué)性能試驗(yàn)與研究[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2007 LI Jiajia. Experimental Study and Research on Mechanical Properties of Rigid Polyvinyl Chloride Embedded Part[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2007

6 Timoshenko S P. 彈性理論[S]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004 Timoshenko S P. Theory of Elasticity[S]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004

OLP embedment design method research for AP1000 nuclear plant

LI Cheng LI Shaoping LIU Jianwei
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: One of the most advanced nuclear power technology, the first AP1000 reactor is under construction in China. Modularization is one of the main characteristics for AP1000 nuclear plant building. Module wall with steel face plate is used instead of reinforced concrete structure wall. A number of OLP embedments need to be installed into the module wall to connect other structures such as pipes, equipments, operation platforms and any other component attached to the module wall. Therefore, the design of embedment is very important in AP1000 structural design. Purpose: A finite element analysis method and tool for embedment design is needed for convenience. Methods: This paper applies the self-developed GTStrudl command template and VBA macro program for embedment capacity calculation and evaluation based on Microsoft Excel to the embedment design. Results: A Microsoft Excel template for embedment design is developed. Conclusions: The analysis method and template brings reasonable results and may provide some help and use for reference for the engineering practice.

AP1000, OLP embedment, GTStrudl finite element analysis software, VBA macro program

TU311.41

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040663

李成，男，1984年出生，2009年于河海大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為上海核工程研究設(shè)計(jì)院工程師。主要研究領(lǐng)域?yàn)楹穗姀S模塊化技術(shù)

2012-10-30，

2012-12-20

CLC TU311.41