核电厂GB综合管廊顶板凸起处侧壁板设计分析

□孟志勇 于凤荣

一、概述

核电厂GB综合管廊是厂区内重要的BOP子项，是连接厂区内核岛、常规岛及其它辅助性厂房、设施的通道，厂区内的工艺管线、给排水管线、电缆均由此输送到各厂房，几乎遍布整个主厂区，多为现浇钢筋混凝土结构。

核电厂GB综合管廊规模大，功能多，专业接口多，设计配合难度大。内设人行通道、钢平台和钢爬梯，顶部根据需要设有安装孔、通风孔、人孔等，截面形式多为矩形。核电厂区采用综合管廊主要有两大优点：第一，核电机组工艺复杂，结构特殊，各种管线纵横交错,设备及附属管线检修频繁，为保证绝对安全，综合管廊可以从根本上解决因场地开挖对厂房结构带来的安全隐患；同时可以保持厂区内环境美观，道路畅通。第二，我国核电厂多分布在东部沿海地区，地下水腐蚀性较强，将各种管线通过综合管廊输送到各厂房，大大减少了土壤和地下水对管道、电缆的腐蚀，可以延长使用寿命，降低因管线老化引起的故障率。

GB综合管廊将整个核岛厂区的电力、通信、热力、给排水、工艺等专业的管线集于一体，为了满足其各项使用功能，管廊的顶板、底板会设计许多凸起、下凹，这些部位往往内部空间大、侧壁板不规则，目前采用教材和规范中推荐的“闭合框架模型”来计算存在一定的不足，本文以某核电厂ACP1000型号为例，基于ANSYS有限元分析软件对GB综合管廊子项顶板凸起部位侧壁混凝土板的设计进行分析。

二、工程实例分析

(一)工程概况。某核电项目GB综合管廊净跨度2.700m，管廊平直段净高度2.700m，顶板凸起处高出顶板顶标高2.000m，故顶板凸起处净高度4.700m，顶板埋深-2.500m，壁厚均为0.400m。根据《核电厂抗震设计规范》该段管廊可归为Ⅲ类物项，即核电厂中与核安全无关的物项，结构设计标准可采用民用建筑规范。根据地质勘察报告，该段管廊地基为微风化层，其承载力特征值fak=1,000kPa，地基条件较好；抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度值0.1g，设计地震分组为第二组。

(二)建模及计算。GB综合管廊墙、板采用均shell181单元，坐落于岩层地基承载力特征值fak=1,000kPa，属于较完整岩体,考虑到地基承载力相对于管廊所受荷载较高，忽略地基的整体变形，边界条件采用固定支座约束，混凝土采用C35聚丙烯纤维防水混凝土，弹性模量取3.45×104MPa，泊松比取0.2，密度25kN/m3，侧压力系数取0.5。考虑到沿海地区雨量充沛，地下水按恒荷载计算，土的浮容重取10kN/m3，水的容重取10kN/m3，重力加速度g。对应结构专业图纸，建立有限元模型为方便建模，分析管廊规则区段侧壁板对凸起处侧壁板的影响，本文在顶板凸起处的左右两端各选取了1.0m长的规则管段，如图1所示。

图1 GB综合管廊三维有限元整体模型

图2 管廊侧壁板弯矩云图

图3 管廊侧壁板弯矩云图

所受荷载包括结构自重；作用于顶板上的水土压力；侧壁分别受到向内作用的梯形分布的水土压力；管廊没有特殊的外加活荷载，可酌情考虑。以下分别给出了结构在自重和水土压力共同作用下的两侧壁板的弯矩云图，如图2和图3所示。两侧壁板的最大负弯矩均为68.3kN·m，出现在侧壁板与底板相交处中部；侧壁板几何中心附近正弯矩最大，分别为34.39kN·m、34.48kN·m，且几何中心附近较大范围内弯矩值近似相等，自凸起处向两端延伸至侧壁板平顺范围内约0.7～0.8m。

为了比较与目前采用的“闭合框架模型”的不同，本文用清华大学编制的力学计算器计算了综合管廊顶板凸起处在相同水土作用下的框架内力，结果如图4所示，两侧壁板最大负弯矩均为179.71kN·m，最大正弯矩均为76.39kN·m。

图4 综合管廊力学计算器弯矩结果(kN·m)

(三)内力结果及对比分析。从图4可以看出，“闭合框架模型”结果与有限元计算的结果相比最大内力出现的位置、作用方向基本吻合，数值是有限元计算结果的2～3倍。这是由于“闭合框架模型”选取的是框架截面，施加线荷载；而在实际受力过程中，侧壁板整体受力，承受的是面荷载，管廊规则部分的侧壁板对凸起部位侧壁板有约束作用，从而抵消了部分最大弯矩。所以，对GB综合管廊顶板凸起处侧壁混凝土板设计时应注意：第一，因外侧壁四角尤其是下部两角与顶底板相交处存在较大负弯矩，同时此处剪应力也是最大，应采取加强措施；第二，在地基条件较好，地基承载力相对于管廊所受荷载可简化为刚体时，“闭合框架模型”的计算结果是偏于保守的。

三、管廊标准截面设计建议

根据计算结果和工程实践，图5给出了核电厂GB综合管廊标准断面的配筋图。在侧壁四角配置斜向的加强钢筋及8根通长钢筋，直径同主受力钢筋。截面配筋采用顶、底板和侧壁分开布置的方法，尽量不在最大弯矩和最大剪力处设置接头。

管廊内侧钢筋及水平钢筋的锚固长度满足《混凝土结构设计规范》GB50010-2010(2015年版)的要求。管廊顶底板和侧壁的外侧钢筋相互搭接，通过上述弯矩图可知，管廊外侧出现负弯矩的位置与截面形状有密切联系，故单侧搭接长度满足0.8Lae的同时尚需大于1/3*廊道净跨度-50mm(考虑钢筋保护层及施工误差等因素)取整，具体可详见图5。

图5 标准截面配筋图(长度单位：mm)

四、结语

本文主要通过目前普遍采用的“闭合框架模型”计算结果与有限元软件ANSYS计算结果对比，对地基条件较好的硬岩区域GB综合管廊顶板凸起处侧壁混凝土板设计进行了分析，介绍了“闭合框架模型”计算这类板的不足，同时根据工程实践，对截面配筋设计提出了建议，需要指出的是，如果地基条件不好，如强风化软岩等，边界条件可选用地基弹簧模拟反力更符合实际受力过程，希望本文可为后续核电厂综合管廊设计提供参考。