APC殼防飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的性能要求及使用范圍優(yōu)化

馮芝茂，蔡利建

(中國(guó)核電工程有限公司 建筑結(jié)構(gòu)所，北京 100840)

美國(guó)“9·11事件”之后，核電廠等重要構(gòu)筑物遭受大型商用飛機(jī)撞擊的潛在可能性引起了公眾與政府部門的關(guān)切。包括我國(guó)“華龍一號(hào)”在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外第三代核電堆型均將抗商用大飛機(jī)撞擊能力作為主要性能特征，同時(shí)各國(guó)也進(jìn)行了大量的研究來評(píng)估第三代核電堆型抵御飛機(jī)蓄意撞擊的能力。美國(guó)核管理委員會(huì)在2009年修訂了聯(lián)邦法規(guī)10 CFR 50，要求申請(qǐng)新建核電廠時(shí)必須評(píng)估大型商用飛機(jī)撞擊對(duì)核電廠的影響；中國(guó)國(guó)家核安全局2016年修訂HAF 102[1]法規(guī)時(shí)也對(duì)抗商用大飛機(jī)撞擊提出了要求。

圖1 APC殼豎向剖面圖Fig.1 Virtical section view of the APC shell

核電廠APC殼主要用于抵抗商用大飛機(jī)的撞擊。APC殼是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由外層安全殼以及燃料廠房、電氣廠房的外層防護(hù)廠房組成。APC殼豎向剖面圖如圖1所示，水平向剖面圖如圖2所示。APC殼設(shè)計(jì)時(shí)除了需要進(jìn)行抗商用大飛機(jī)撞擊分析評(píng)估外，還需要對(duì)使用的建筑材料的性能進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定，保證材料性能與計(jì)算分析假定一致。目前我國(guó)在這方面還缺乏相應(yīng)的技術(shù)支持文件，因此有必要進(jìn)行相關(guān)的研究對(duì)抗飛機(jī)撞擊特殊機(jī)械接頭的性能做出相關(guān)要求與限制，并盡量減小這種特殊建造材料的使用范圍，降低工程造價(jià)。

圖2 APC殼水平向剖面圖Fig.2 Horizontal section view of the APC shell

1 抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的性能指標(biāo)與使用范圍

參考國(guó)內(nèi)外規(guī)范并咨詢相關(guān)制造廠家，從鋼筋機(jī)械連接接頭的抗拉強(qiáng)度、殘余變形、最大力下的接頭總伸長(zhǎng)率、高應(yīng)力與大變形反復(fù)拉壓性能、瞬間加載沖擊性能等方向進(jìn)行研究與調(diào)研，形成了抗飛機(jī)撞擊用鋼筋機(jī)械接頭的工程技術(shù)文件。

設(shè)計(jì)時(shí)通過對(duì)外層安全殼與防護(hù)廠房各墻體開展撞擊敏感性分析，研究廠房各墻體在受到大飛機(jī)撞擊時(shí)各區(qū)域的縱向鋼筋應(yīng)變值，確定墻體撞擊的敏感區(qū)域，在該區(qū)域使用抗飛機(jī)撞擊用特殊鋼筋機(jī)械接頭，在非撞擊敏感區(qū)域使用普通機(jī)械接頭。最終在 APC殼的設(shè)計(jì)中減小了特殊機(jī)械接頭的使用范圍，降低了工程造價(jià)。

2 抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的性能要求分析

機(jī)械接頭單向拉伸時(shí)的強(qiáng)度和變形是機(jī)械接頭的基本性能。機(jī)械接頭在高應(yīng)力下的反復(fù)拉壓性能反映了接頭在風(fēng)荷載和小于極限安全地震作用下承受高應(yīng)力反復(fù)拉壓的能力，而大應(yīng)變反復(fù)拉壓性能則反映結(jié)構(gòu)在超出極限安全地震作用或其他超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件下鋼筋進(jìn)入塑性變時(shí)機(jī)械接頭的延性能力。參考《鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程》JGJ 107—2016[2]和法國(guó)核電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ETC-C[3]的要求，對(duì)上述常規(guī)性能做了如下要求。

（1） 鋼筋接頭試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，只允許試件斷于鋼筋母材上（即接頭長(zhǎng)度以外區(qū)域，接頭長(zhǎng)度定義為套筒長(zhǎng)度加兩邊各兩倍鋼筋直徑的范圍），且試件的實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度不小于鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)時(shí)，鋼筋接頭的殘余變形u0≤0.1 mm。HRB500級(jí)鋼筋的最大力下的接頭總伸長(zhǎng)率Agt≥6%。

（2） 抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭在高應(yīng)力反復(fù)拉壓試驗(yàn)殘余變形u20≤0.3，大變形反復(fù)拉壓試驗(yàn)殘余變形u4≤0.3且u8≤0.6。即要求鋼筋在承受 2倍（5倍）于鋼筋屈服應(yīng)變的大變形情況下，經(jīng)受 4次（8次）反復(fù)拉壓后，滿足相應(yīng)的變形要求。

抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的常規(guī)性能與 JGJ 107—2016中規(guī)定的Ⅰ級(jí)機(jī)械接頭的要求是相當(dāng)?shù)摹?/p>

瞬間加載沖擊試驗(yàn)是模擬外層安全殼和防護(hù)廠房在經(jīng)受飛機(jī)撞擊時(shí)，撞擊力急劇增大，加載應(yīng)變率達(dá)到 1.0 s-1，這種情況下混凝土和鋼筋的極限強(qiáng)度也會(huì)增大，高于靜載下得到的極限強(qiáng)度，極限強(qiáng)度的增大往往會(huì)導(dǎo)致變形能力的下降，因此，需要保證在撞擊過程中接頭的破壞必須發(fā)生在鋼筋母材上，滿足高加載速率下接頭總伸長(zhǎng)率Agt≥5%的大變形要求。瞬間加載沖擊性能要求是抗飛機(jī)撞擊特有的性能要求，瞬間加載沖擊變形要求是與大飛機(jī)撞擊計(jì)算分析時(shí)采用的假設(shè)是一致的。即在大飛機(jī)撞擊計(jì)算分析時(shí)，如果鋼筋的應(yīng)變率下超出5%，則認(rèn)為鋼筋已斷裂失效。

目前國(guó)內(nèi)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室只具備單向拉伸性能、高應(yīng)力反復(fù)拉壓性能和大變形反復(fù)拉壓性能這些常規(guī)性能的試驗(yàn)?zāi)芰Γ叭A龍一號(hào)”中抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的瞬間加載沖擊性能需要通過德國(guó)的實(shí)驗(yàn)室獲得。

3 基于撞擊敏感性分析的特殊接頭使用范圍優(yōu)化

通過對(duì)外層安全殼與防護(hù)廠房各墻體開展撞擊敏感性分析，研究廠房各墻體在受到大飛機(jī)撞擊時(shí)各區(qū)域的縱向鋼筋應(yīng)變值，確定墻體撞擊的敏感區(qū)域，在該區(qū)域使用抗飛機(jī)撞擊用特殊鋼筋機(jī)械接頭，在非撞擊敏感區(qū)域使用普通機(jī)械接頭。

3.1 建立分析模型

首先需要建立APC殼的三維有限元非線性分析模型，在模型中混凝土用實(shí)體單元模擬。鋼筋用梁?jiǎn)卧M，與混凝土單元耦合在一些，來模擬鋼筋混凝土的真實(shí)行為。飛機(jī)模型采用SPH粒子?？紤]到計(jì)算機(jī)性能的限制，為了減少計(jì)算時(shí)間，只有撞擊區(qū)域所在廠房采用上述方式來模擬鋼筋混凝土的非線性損傷行為，其他廠房采用分層殼單元來模擬，采用殼單元的廠房與采用實(shí)體單元的廠房通過節(jié)點(diǎn)插值約束來實(shí)現(xiàn)內(nèi)力傳遞。由于鋼筋混凝土的非線性響應(yīng)只發(fā)生在撞擊點(diǎn)附近區(qū)域，因此在工程中采用了對(duì)應(yīng)于三個(gè)廠房的三個(gè)獨(dú)立的分析模型。APC殼計(jì)算分析模型如圖3所示。

3.2 確定撞擊分析工況并進(jìn)行計(jì)算

在APC殼的設(shè)計(jì)中，考慮了商用大飛機(jī)的撞擊工況。商用大飛機(jī)的撞擊工況共16種，編號(hào)為L(zhǎng)CC1～LCC16。

圖3 分析模型Fig.3 Analysis model

LCC1、LCC16作用于外層安全殼的筒體部分的中部。LCC2作用于外層安全殼的筒體部分和穹頂部分的交接處。LCC3作用于APC殼外掛水箱隔板與樓板的交接處。LCC4作用于外層安全殼的穹頂部分的跨中位置。LCC5作用于外層安全殼的穹頂部分半跨的中部位置。LCC4作用于外層安全殼的穹頂部分的跨中位置。LCC6作用于墻體KB0001的中部。LCC7作用于墻體 KB0002的中部。LCC8作用于墻體KB0003的中部。LCC9作用于墻體LB0002的中部。LCC10作用于墻體 LB0004的中部。LCC11作用于墻體LB0006的中部。LCC12作用于樓梯間墻體的中部。LCC13、LCC14和LCC15作用于所有暴露在外的關(guān)鍵屋面板的中部。撞擊示意圖如圖4～圖6所示。

圖4 大型商用飛機(jī)的撞擊位置（1）Fig.4 Impact position of large commercial aircraft（1）

圖5 大型商用飛機(jī)的撞擊位置（2）Fig.5 Impact position of large commercial aircraft（2）

圖6 大型商用飛機(jī)的撞擊位置（3）Fig.6 Impact position of large commercial aircraft（3）

3.3 抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的使用范圍優(yōu)化

下面以工況 LCC6為例，對(duì)縱向鋼筋抗撞擊特殊接頭的優(yōu)化過程進(jìn)行具體說明。

LCC6作用于墻體KB0001，位置如圖1和圖 2所示，撞擊角度與水平面成 0°角。LCC6含三個(gè)子工況，分別撞擊墻體 KB0001上部、中部、下部。在撞擊墻體中部時(shí)，位移R最大時(shí)刻的位移云圖如圖 8所示，最大位移出現(xiàn)在0.349 s時(shí)刻，最大位移為0.468 m。

墻體中部在飛機(jī)撞擊工況下，內(nèi)側(cè)縱筋的最大軸向力如圖9所示，外側(cè)縱筋的最大軸向力如圖10所示。墻KB0001的最大軸向力與最大應(yīng)變?nèi)绫?所示，墻 KB0001抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的使用范圍如表2所示。

圖7 工況LCC6撞擊示意圖Fig.7 General view of LCC6

圖8 工況LCC6撞擊方向位移云圖Fig.8 Displacement contours along impact direction of LCC6

圖9 墻KB0001內(nèi)側(cè)縱筋的最大軸向力Fig.9 Maximum axial force of the inner side longitudinal rebar in KB0001

圖10 墻KB0001外側(cè)縱筋的最大軸向力Fig.10 Maximum axial force of the outer side longitudinal rebar in KB0001

表1 墻KB0001的最大軸向力與最大應(yīng)變Table 1 Maximum axial force and stain of rebar in KB0001

表2 墻KB0001抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的使用范圍Table 2 Application range of mechanical joints for aircraft collision in KB0001

墻體縱筋采用HRB500級(jí)鋼筋，屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為500 MPa，彈性模量為200 GPa，由此可計(jì)算出極限彈性應(yīng)變?yōu)?0.25%，即彈性應(yīng)變閾值。飛機(jī)撞擊過程中，處于極限彈性應(yīng)變以內(nèi)的鋼筋，變形很小，普通的鋼筋機(jī)械接頭即可滿足要求，超出極限彈性應(yīng)變時(shí)，材料進(jìn)入了彈塑性受力階段，變形較大，需要使用抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭，當(dāng)鋼筋應(yīng)變進(jìn)一步超出塑性極限應(yīng)變5%后，認(rèn)為鋼筋已經(jīng)斷裂。

表2匯總了LCC6工況下，撞擊墻體不同標(biāo)高時(shí)，墻體內(nèi)、外側(cè)縱筋超出彈性應(yīng)變閾值的范圍，可以看出，在飛機(jī)撞擊區(qū)域附近和墻體根部的內(nèi)外側(cè)縱向鋼筋應(yīng)變均超過彈性應(yīng)變閾值。這與概念分析的結(jié)果是一致的，即在飛機(jī)撞擊區(qū)域墻體的正彎矩區(qū)和墻體根部的負(fù)彎矩區(qū)受力最大，鋼筋進(jìn)入彈塑性受力階段，機(jī)械接頭也相應(yīng)采用特殊接頭。對(duì)于墻體根部區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)采取加長(zhǎng)插筋的方式，以覆蓋墻體根部非線性受力區(qū)域。因此，對(duì)于墻KB0001，抗飛機(jī)撞擊機(jī)械接頭的設(shè)計(jì)使用范圍為-6～40.7 m。

對(duì)于其他撞擊工況和其他構(gòu)件，可采取相同的設(shè)計(jì)優(yōu)化思路，開展撞擊敏感性分析，構(gòu)件優(yōu)化前、后的特殊接頭使用范圍如表4所示。值得注意的是，對(duì)于一些墻體（如 KB0006，KB0007），由于相鄰廠房的阻擋作用，墻體的大飛機(jī)撞擊區(qū)域較小，相應(yīng)的墻體特殊接頭使用范圍也就更小。

3.4 優(yōu)化工作成果

單臺(tái)機(jī)組通過撞擊敏感性分析后，APC殼各墻體特殊接頭使用范圍大大減小。與優(yōu)化前的使用范圍對(duì)比結(jié)果如表 3～表 5所示，單臺(tái)機(jī)組優(yōu)化面積總計(jì)14 531 m2，節(jié)約了工程造價(jià)約1 017.2萬元。

表3 KB防護(hù)廠房抗飛機(jī)撞擊用特殊鋼筋機(jī)械接頭優(yōu)化面積統(tǒng)計(jì)Table 3 Application range of mechanical joints for aircraft collision in KB building

表4 LB防護(hù)廠房抗飛機(jī)撞擊用特殊鋼筋機(jī)械接頭優(yōu)化面積統(tǒng)計(jì)Table 4 Application range of mechanical joints for aircraft collision in LB building

續(xù)表

表5 外層安全殼抗飛機(jī)撞擊用特殊鋼筋機(jī)械接頭優(yōu)化面積統(tǒng)計(jì)Table 5 Application range of mechanical joints for aircraft collision in RB building

4 結(jié)論

采用的機(jī)械接頭性能要求與優(yōu)化結(jié)果適用于“華龍一號(hào)”，對(duì)于采用雙層安全殼和外防護(hù)廠房的布置可直接應(yīng)用，目前在福清核電5、6號(hào)及巴基斯坦K-2、K-3項(xiàng)目中已經(jīng)得到應(yīng)用。在未來的“華龍一號(hào)”改進(jìn)方案中，電氣廠房和燃料廠房取消APC殼后，通過加厚的外墻抗飛機(jī)撞擊，利用本報(bào)告中方法可以進(jìn)一步分析抗飛機(jī)撞擊特殊機(jī)械接頭的使用范圍，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果，降低工程造價(jià)。