ACP1000内层安全壳设备非标预埋件设计

赵金涛 姚 迪 孟 剑

(中国核电工程有限公司，北京 100840)



ACP1000内层安全壳设备非标预埋件设计

赵金涛 姚 迪 孟 剑

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

根据工艺提供的设计荷载和形状参数，按照GB 50010—2010介绍了ACP1000内层安全壳某设备非标预埋件的设计方法，并参照ACI 349—13，对该预埋件进行了受拉及受剪承载力计算，为核电站预埋件设计提供了借鉴。

ACP1000，内层安全壳，预埋件，承载力

0 引言

ACP1000堆型为国内具有自主知识产权的三代核电站。ACP1000反应堆厂房由内部结构、内层安全壳、外层安全壳和整体筏基组成。其中，内层安全壳(即通常所指的安全壳)是包容核蒸汽供应系统(NSSS)的主要物项，是核安全的第三道也是最后一道屏障，也为设备装置和系统管线等提供支承。设备闸门弹性连接件位于设备闸门处，利用非标预埋件支承于内层安全壳上。本文首先按照GB 50010—2010对非标预埋件进行了设计，然后按照核相关规范ACI 349—13对其承载力进行了验算。

1 设计参数

设备闸门弹性连接件预埋件支承于内层安全壳外侧，位于设备闸门筒节外侧，形状见图1。

此预埋件为环形，是非标准预埋件，其内半径为4 032 mm，宽度为150 mm。内层安全壳采用C60混凝土，预埋件锚筋初步确定采用HRB400钢筋，直径12 mm。锚板厚度初步定为20 mm。此预埋件为非抗震结构，工艺提供的荷载设计值为轴心拉力620 kN/m2，剪力1 240 kN/mm2。

2 GB 50010—2010设计方法

国内尚无指导预埋件设计的核相关规范，故按照GB 50010—2010对此非标预埋件进行设计。

2.1 锚筋计算

按GB 50010—2010第9.7.2条第1款计算锚筋面积。

(1)

(2)

(3)

其中，V，N分别为预埋件剪力设计值和拉力设计值；αr为锚筋层数影响系数，取1.0；αv为锚筋的受剪承载力系数，按式(2)计算，且应不大于0.7，取为0.7;fy为锚筋抗拉强度设计值，取300 N/mm2；αb为锚板的弯曲变形折减系数，按式(3)计算，且应不大于1，取为1；d为锚筋直径；fc为混凝土抗压强度设计值，取27.5 N/mm2；t为锚板厚度。

按式(1)计算得到的锚筋面积为8 488 mm2，沿周圈每2°布置1根锚筋，共180根锚筋，锚筋实际面积为20 340 mm2。锚筋布置见图2和图3。

2.2 焊缝设计

焊缝高度构造要求：

hf≤1.2t=1.2×12=14.4mm；

hf≥0.6d=0.6×12=7.2mm。

取焊缝高度为8mm。每根锚筋的焊缝面积：

(12+8×0.7×2)×pi×(8×0.7)=408mm2。

焊缝面积远大于锚筋面积，不用验算焊缝。

2.3 构造要求

根据GB50010—2010第9.7节要求，检查预埋件是否满足构造要求。

1)锚固长度。

锚筋实际锚固长度为360mm，满足构造要求。

2)锚筋距锚板边距。

锚筋距锚板边缘25mm和45mm，大于2d即24mm，且小于12t即240mm，满足构造要求。

3)锚筋间距。

锚筋间距150mm，大于45mm，且小于16t即320mm，满足构造要求。

4)锚筋距混凝土边距。

锚筋距混凝土边距等于45mm，满足构造要求。

5)锚板厚度。

锚板厚度20mm，大于0.6d即7.2mm，且大于b/8即18mm，满足构造要求。

3 参照ACI 349—13进行锚筋验算

国标中无预埋件设计的核相关规范，利用GB50010—2010设计的预埋件尚需按照核相关规范ACI349—13规范进行验算。

3.1 受拉承载力

预埋件的受拉承载力取以下4项中的较小值：锚筋强度、混凝土抗崩裂强度、锚筋的拔出强度、混凝土抗侧面爆裂强度。

3.1.1 锚筋强度

根据ACI349—13附录D.5.1计算：

Nsa=nAse,Nfuta

(4)

其中，n为锚筋数量，取180；Ase,N为单个锚筋截面面积，取0.175in2；futa为美国规范的钢筋抗拉强度，取78 300psi。

将以上参数代入式(4)，计算结果为2 466 450lb，即10 971kN。

3.1.2 混凝土抗崩裂强度

根据ACI349—13附录D.5.2计算：

(5)

(6)

(7)

(8)

将以上参数代入式(5)，计算结果为1 042 659lb，即5 528 kN。

3.1.3 锚筋的拔出强度

ACI 349—13附录D.5.2无直锚筋的抗拔出强度公式。而锚筋的锚固长度是根据钢筋达到强度前不会拔出的所必须的埋入深度控制的。故只要锚筋锚固长度满足要求，则钢筋的拔出强度即大于3.1.1节确定的锚筋强度。

根据ACI 349—13第12.2条规定，钢筋的锚固长度取式(9),式(10)和12 in的较大值。

(9)

(10)

其中，fy为美国规范的钢筋屈服强度，取58 000 psi；λ为混凝土品种系数，对于普通混凝土取1；ψt为钢筋定位系数，取为1；ψe为涂层系数，无涂层取为1；db为锚筋直径，取为0.472 in；ψs为钢筋品种系数，取为0.8；cb为取锚筋中心到混凝土边缘的距离或者锚筋间距的一半的较小值，取为1.772 in；Ktr为横向钢筋系数，偏于保守的取为0。

将以上参数代入式(9)和式(10)，计算结果为12.784 in和5.1 in，故锚筋的计算锚固长度为12.784 in，即325 mm。锚筋的实际锚固长度为360 mm，满足要求，故可以不用考虑锚筋的拔出强度。

3.1.4 混凝土抗侧面爆裂强度

ACI 349—13附录D5.4仅对带端锚头锚栓，且锚栓靠近混凝土边缘时(c<0.4hef)，混凝土抗侧面爆裂强度起控制作用。对于直锚筋，且混凝土边缘存在设备闸门筒节约束，故可不考虑此项。

3.2 受剪承载力

预埋件的受剪承载力取以下3项中的较小值：锚筋强度、混凝土抗崩裂强度、混凝土抗剪翘强度。

3.2.1 锚筋强度

根据ACI 349—13附录D.6.1计算：

Vsa=n0.6Ase,Vfuta

(11)

其中，Ase,V为单个锚筋截面面积，取0.175 in2。将其代入式(11)，计算结果为1 479 870lb，即6 583 kN。

3.2.2 混凝土抗崩裂强度

根据ACI 349—13附录D.6.2计算：

(12)

(13)

其中，AVco为到垂直于剪力方向的构件边缘距离不小于1.5ca1的单个锚筋的混凝土投影面积，见图6，计算结果为109 in2；AVc为群锚在混凝土构件边缘处破坏面的投影面积，基于半椎体的投影计算，见图7，计算结果为7 363 in2；ψec,V为受偏心剪力的群锚调节系数，因剪力无偏心，故取为1；ψed,V为群锚边缘效应系数，因只有1个边缘，故取为1，ψc,V为与区域配筋和混凝土状态相关的系数，对于开裂混凝土，偏于保守的取为1；ψh,V为与锚筋区域混凝土厚度相关的系数，混凝土厚度远大于1.5ca1，故取为1；Vb为开裂混凝土中单个锚筋受剪时的混凝土基本抗崩裂强度，按式(13)计算，其中le为受剪螺栓的荷载挤压长度，取hef和8da中的较小值；da为锚筋截面面积，取0.472 in2；ca1为锚筋中心到混凝土边缘的距离，取4.921 in，则计算结果为6 816lb。

将以上参数代入式(12)，计算结果为460 424lb，即2 048 kN。

3.2.3 混凝土抗剪翘强度

根据ACI 349—13附录D.6.3计算：

Vcpg=kcpNcbg

(14)

其中，kcp取2.0，则计算结果为11 056 kN。

3.2.4 拉力和剪力共同作用

根据ACI 349—13附录D.4.1.2，预埋件的抗拉设计强度和抗剪设计强度：

φNn=min[φNsa,φNcbg]

(15)

φVn=min[φVsa,φVcbg，φVcpg]

(16)

根据ACI 349—13附录D.4.4，Nsa和Ncbg的强度降低系数φ分别取0.75和0.7。Vsa,Vcbg和Vcpg的强度降低系数φ分别取0.65，0.7和0.7。将各参数代入式(15)和(16)，计算结果为3 870 kN和1 433 kN。

根据ACI 349—13附录D.4.7，对于同时受拉和受剪，且拉力设计值满足Nua≤0.2φNn时，其剪力设计值需满足式(17)：

φVn≥Vua

(17)

将预埋件抗剪设计强度和剪力设计值代入式(17)，满足要求。故预埋件承载力满足要求。

4 结语

本文按GB 50010—2010对ACP1000内层安全壳非标预埋件进行了设计，并提供了按核相关规范ACI 349—13对预埋件承载力进行验算的详细过程。验算过程和结果表明，ACI 349—13预埋件设计基于锚筋和混凝土受力状态和预埋件预期破坏模式，概念清晰可靠，计算的承载力较小。按ACI 349—13计算预埋件承载力是偏于安全的。

[1] GB 50010—2010，混凝土结构设计规范[S].

[2] ACI 349—13,Code Requirements for Nuclear Safety-Related Concrete Structures and Commentary[S].

[3] ACI 318—14,Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary[S].

[4] 贡金鑫，魏巍巍，胡家顺.中美欧混凝土结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

ACP1000 inner containment equipment non-standard embedded part design

Zhao Jintao Yao Di Meng Jian

(China Nuclear Power Engineering Co., Ltd, Beijing 100840, China)

According to the design load and shape parameters offered by process, according to GB 50010—2010, this paper introduced the design method of non-standard embedded parts of a equipment of ACP1000 primary containment, and according to ACI 349—13, made tensile and shear bearing capacity of embedded parts.

ACP1000, primary containment, embedded part, bearing capacity

1009-6825(2017)12-0040-03

2017-02-18

赵金涛(1984- )，男，工程师； 姚 迪(1983- )，男，高级工程师； 孟 剑(1980- )，男，高级工程师

TU318

A