核島SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)不同受力形式下的破壞模式

付尚進 　 楊昌洲 　 胡 斐 　 孟 超 　 李祥鵬

(1.中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州　510000；2.貴州省建筑設(shè)計研究院，貴州 貴陽　550000；　3.山東濟寧新金昊地產(chǎn)有限公司，山東 濟寧　272000;4.青島精信工程管理有限公司，山東 青島　260000;　5.青島建安建設(shè)集團有限公司，山東 青島　260000)

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核島SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)不同受力形式下的破壞模式

付尚進1楊昌洲2胡 斐3孟 超4李祥鵬5

(1.中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州510000；2.貴州省建筑設(shè)計研究院，貴州 貴陽550000；3.山東濟寧新金昊地產(chǎn)有限公司，山東 濟寧272000;4.青島精信工程管理有限公司，山東 青島260000;5.青島建安建設(shè)集團有限公司，山東 青島260000)

基于現(xiàn)有研究資料，從正常荷載作用、失水事故、地震作用、溫度作用、爆炸作用、沖擊荷載作用六方面，介紹了核電站安全殼常見受力形式下的破壞模式，為新型SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

核電站，SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)，破壞模式，安全殼

1　概述

目前針對核電站屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計，國內(nèi)外已有相關(guān)的文獻和規(guī)范進行了詳細(xì)分析，如中國的《核電廠抗震設(shè)計規(guī)范》和美國的《Code Requirements for Nuclear Safety-Related Concrete Structures(ACI 349-06) and Commentary》。以往針對核電站安全殼的研究中，主要研究對象是鋼安全殼屏蔽結(jié)構(gòu)以及預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼屏蔽結(jié)構(gòu)，而針對安全殼SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)的受力形式以及破壞模式則鮮有研究。一方面，在進行核島安全殼屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要考慮恒重、活荷載、事故工況以及溫度、地震、爆炸沖擊作用的影響，不同的荷載工況組合下，屏蔽結(jié)構(gòu)的受力形式各不相同。另一方面自SC組合結(jié)構(gòu)形式誕生以來，國內(nèi)外針對SC組合結(jié)構(gòu)墻、板、柱、梁的試驗研究也有不少，但所研究的試驗對象主要針對單一的受力形式，較少研究兩種或三種受力形式試件的受力性能[1，2]。美國西屋公司在進行AP1000核電站安全殼的設(shè)計中，采用了鋼板—混凝土組合結(jié)構(gòu)模型，而目前尚未有專門針對該類核島安全殼屏蔽結(jié)構(gòu)破壞模式的研究，本文針對核島安全殼屏蔽結(jié)構(gòu)的受力形式以及SC組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同受力形式下的破壞模式進行介紹，為今后進行核島安全殼SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究和設(shè)計提供參考。本文通過閱讀以往的研究資料，對核電站安全殼的常見的受力形式下的破壞模式進行分析，為新型SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

2　核島SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)的破壞模式

`1)核島SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)正常荷載作用組合下的破壞模式?？紤]核島SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)正常荷載作用主要包括恒重與活荷載，在正常荷載作用組合下，核島安全殼屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計時只需考慮結(jié)構(gòu)模型的彈性極限，研究核島安全殼SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)在各類受力形式下的彈性極限，首先需要考慮界面內(nèi)的抗剪連接度，即鋼板與混凝土之間協(xié)同工作的能力，其次基于組合結(jié)構(gòu)設(shè)計原理采用平截面假定，進行組合結(jié)構(gòu)各類受力形式下彈性極限的計算。由于兩側(cè)鋼板能夠很好的保證屏蔽結(jié)構(gòu)的安全性和密閉性，因此可以適當(dāng)允許組合結(jié)構(gòu)中核心混凝土開裂。在此主要借鑒國內(nèi)外核電站有關(guān)的設(shè)計規(guī)范，進行分析比較。

2)核島SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)失水事故(LOCA)下的破壞模式。核電廠所有帶強放射性的關(guān)鍵設(shè)備都安裝在反應(yīng)堆安全殼廠房內(nèi)，以便在失水事故下限制放射性物質(zhì)外溢，核電站安全殼是用來控制和限制放射性物質(zhì)從反應(yīng)堆擴散出去，以保護公眾不會遭受放射性物質(zhì)的傷害，為了應(yīng)付核電站一回路主管道破裂的極端失水事故，核電站設(shè)有危急冷卻系統(tǒng)，它由安全注射系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)組成[3]。一旦接收到極端失水事故的信號后，安全注射系統(tǒng)會向反應(yīng)堆內(nèi)注射高壓含硼水，當(dāng)二回路主蒸汽管道破裂時，安全殼內(nèi)充滿了帶放射性的高壓蒸汽，安全殼噴淋系統(tǒng)將用來降低安全殼內(nèi)壓力和溫度，使放射性蒸汽凝結(jié)下來。在LOCA失水事故中，安全殼會受到內(nèi)部高壓和高溫作用，因此進行安全殼SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)失水事故(LOCA)下受力性能和破壞模式研究，考慮屏蔽結(jié)構(gòu)遭受平面外壓強以及內(nèi)部高溫作用下的受力形式和破壞模式。

3)核電站SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)地震作用組合下的破壞模式。國內(nèi)外有關(guān)于核電站安全殼抗震設(shè)計規(guī)范中都考慮了地震作用組合，包括雙向水平地震作用以及豎向地震作用組合，通過時程分析方法以及振動臺試驗研究核電站安全殼的受力形式和破壞模式[4，5]。本文在此基礎(chǔ)上，總結(jié)安全殼在地震作用下的受力形式，通過SC組合結(jié)構(gòu)試件在幾類荷載形式下破壞模式的研究，可進一步分析SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)的破壞模式。

4)核電站SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)溫度作用下的破壞模式。在鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)中，雖然鋼材與混凝土材料的線膨脹系數(shù)相近，但是由于在核電站安全殼中，LOCA事故下或是爆炸作用下，高溫都是瞬間產(chǎn)生，無法實現(xiàn)有效的傳遞，因此會造成安全殼內(nèi)外壁短時間內(nèi)溫差較大，由于溫度變化的影響，間接造成安全殼產(chǎn)生較大的內(nèi)力，如果設(shè)計不合理，很容易造成構(gòu)件的局部破壞，進而會影響屏蔽結(jié)構(gòu)的受力形式和抗震能力。借鑒國內(nèi)外有關(guān)安全殼屏蔽結(jié)構(gòu)的溫度試驗的檢測結(jié)果，進行分析處理，界定實際內(nèi)外壁溫差，計算SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)局部內(nèi)外壁的相對變形，進而為屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

5)核電站SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)爆炸作用下的破壞模式。1979年美國三里島核事故震驚全球，引起美國公民對核安全的恐慌，至此30年內(nèi)，美國沒有再建設(shè)核電站，造成三里島核事故的主要原因在于安全殼內(nèi)部氫氣燃燒爆炸，當(dāng)氫氣爆炸時，產(chǎn)生的激振波面是極不連續(xù)的沖擊波，爆炸沖擊波沿著產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的媒介以超音速進行傳播，壓縮安全殼內(nèi)部空氣，造成空氣密度增大，引起內(nèi)部壓強急劇增強，溫度驟增，沖擊波在安全殼表面反射又會對安全殼帶來極大的沖擊壓強，反射后的沖擊波又與內(nèi)部沖擊波相互碰撞。當(dāng)氫氣爆燃時，安全殼內(nèi)部水分蒸發(fā)，高溫水蒸氣也會進一步增強安全殼內(nèi)部壓強和提高內(nèi)部溫度，因此安全殼成為內(nèi)部氫氣爆燃后阻止核泄漏的最后一道屏障[6]。類似于LOCA失水事故，也需要進一步研究沖擊壓力和高溫的影響，區(qū)別在于LOCA作用時間較長，氫氣爆燃作用時間較短，需要考慮材料在此類情形下的本構(gòu)模型，同時需要考慮結(jié)構(gòu)受力形式研究SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)的破壞模式。爆炸除了考慮安全殼內(nèi)部氫氣爆燃外，還有外部爆炸，或是炸彈，或是其他物質(zhì)，在安全殼外側(cè)發(fā)生爆炸時對安全殼本身受力的影響。

6)核電站SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)沖擊荷載作用下的破壞模式。自美國9·11事件以來，凡屬于特殊重要結(jié)構(gòu)的，都開始考慮沖擊荷載作用的影響，或是飛機，或是其他飛行物體，而安全殼的主要作用在于屏蔽外部飛行物沖擊對安全殼內(nèi)部的影響，因此沖擊荷載作用下SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)的破壞模式就顯得尤為重要，結(jié)合沖擊荷載作用下核電站安全殼受力形式以及SC組合結(jié)構(gòu)沖擊荷載作用下的破壞模式進行SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)沖擊作用下破壞模式的理論分析[7]。

3　結(jié)語

目前主要是針對SC組合結(jié)構(gòu)梁、墻、板和柱等構(gòu)件進行試驗研究，還需要進行SC組合屏蔽結(jié)構(gòu)實體模型在各類荷載作用組合下的力學(xué)性能研究分析，以便更好的保證核設(shè)施周邊地區(qū)的人民的生命財產(chǎn)安全，本文分析了正常荷載作用、LOCA、爆炸、沖擊、溫度以及地震作用下核電站安全殼的受力形式，在進行新型SC組合結(jié)構(gòu)核電站安全殼的設(shè)計中，要同時考慮多種荷載作用下的影響[8，9]。安全殼作為最后一道生命保護的屏障，必須能夠極大限度內(nèi)承擔(dān)核設(shè)施所帶來的潛在威脅。

[1]卞洪興,駱偉.壓水堆核電站安全殼研究[J].核動力工程,1986,7(1):24-32.

[2]王天運,任輝啟,張力軍,等.核電站安全殼結(jié)構(gòu)設(shè)計概要[J].工程力學(xué),2003(1):397-402.

[3]Farzad,Choobdar,Rahim,etc..A study of large break LOCA in the AP1000 reactor containment[J].Process in Nuclear Energy,2012(54):132-137.

[4]李冬梅.某核電站安全殼的隔震地震反應(yīng)分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2007.

[5]鄭硯國,李惠強.核電站預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼的老化因素研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報,2009,26(4):57-61.

[6]石巖峰,衛(wèi)宏,許東翰,等.某核電站安全殼的地震反應(yīng)分析[J].工業(yè)建筑,2011,41(6):84-87.

[7]申祖武,劉國強,王天運,等.炸藥觸地爆炸后核電站安全殼基底振動響應(yīng)[J].巖土力學(xué),2009,30(8):2540-2544.

[8]楊勛,樓云峰,余克勤,等.核電站防波堤地震動力響應(yīng)即破壞機理分析[J].振動與沖擊,2013,32(19):100-105.

[9]T,L,Schulz.Westinghouse AP1000 advanced passive plant[J].Nuclear Engineering and Design,2006(236):1547-1557.

[10]張有佳.核電工程鋼板混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能試驗與計算分析[D].哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所,2014.

Damage modes of nuclear island SC composite shielding structure under different stress forms

Fu Shangjin1Yang Changzhou2Hu Fei3Meng Chao4Li Xiangpeng5

(1.ChinaBuilding4thEngineeringBureauCo.,Ltd,Guangzhou510000,China;2.GuizhouAcademyofBuildingDesign,Guiyang550000,China;3.ShandongJiningXinjinhaoRealEstateCo.,Ltd,Jining272000,China；4.QingdaoJingxinEngineeringManagementCo.,Ltd，Qingdao260000,China;5.QingdaoJian’anConstructionGroupCo.,Ltd,Qingdao260000,China)

Based on current research data, starting from six aspects of normal load function, coolant accident, seismic function, temperature action, blasting action and compacting load action, the paper introduces the nuclear power station damage forms under common stress forms, which has provided some guidance for designing new SC composite shielding structure.

nuclear-power station, SC composite shielding structure, damage mode, safe containment

1009-6825(2016)19-0040-02

2016-04-21

付尚進(1988- )，男，助理工程師；楊昌洲(1985- )，男，助理工程師；胡斐(1989- )，男，助理工程師；

TU398.9

A

孟超(1988- )，男，助理工程師；李祥鵬(1988- )，男，助理工程師