CN103488834A - 核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，建立三维实体模型，了解三通供水管道的内部结构，得到三通供水管交汇处内壁呈蝶形；然后根据三通供水管在各种状态下的边界条件，选取出多种具有代表性的三通供水管运行工况；采用有限元程序分析多种具有代表性的三通供水管运行工况，获得供水三通供水管的应力分布；结合三维模型和有限元分析结果对三通供水管进行相应配筋，采用标准截面配筋和局部加固的方式；整合所述三通供水管外形和钢筋布置结果，得到核电站现浇大直径三通供水管设计方案。本发明设计方法科学、合理，该方法解决了大直径现浇钢筋混凝土管的三通段设计问题，省时省力，保障了核电站循环水管的正常运行。

Description

核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土管道的设计方法，具体涉及核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法。属于核电站建筑构造技术领域。

背景技术

随着核电技术的发展以及核电站在国内的推广建设，核电站采用的机组容量越来越大，对循环冷却水的用水量要求越大，使得核电站采用的循环水压力水管直径增大，从原来的内径3.2m已增加为4.4m，内水压力增加至600kpa，水管埋深增大为地下十几米。

由于现有预制混凝土管或PCCP管的制造技术限制，不能满足国内核电站大直径循环水管的埋深和内水压力要求，国内核电站大直径的循环供水管普遍采用现浇钢筋混凝土管，该混凝土管截面型式为内圆外方。在混凝土支管和母管以及母管与母管之间经常会有几条管道交叉相通的情况，对于预制混凝土三通供水管或金属三通供水管，三通交叉管为常见的常规接头型式，而对于现浇制作的内圆外方钢筋混凝土断面，三条管道交叉位置的设计异常复杂，目前还没有现浇三通压力混凝土供水管的设计方法，且现在管道内径还未能达到4.4m。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术还没有大直径现浇混凝土三通供水管的设计方法，提供一种切实可行的、简便的核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的设计方法，使三通供水管的结构性能更稳定。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）根据三通压力混凝土供水管的结构数据建立三维实体模型，选取若干个不同位置的切割点对三维模型进行剖析，得到三通压力混凝土供水管的内部结构，该三通压力混凝土供水管交汇处内壁呈蝶形；

2）根据三通压力混凝土供水管在多种不同状态下的边界条件，选取出多种具有代表性的三通压力混凝土供水管运行工况；

3）采用有限元程序分析步骤2）中多种具有代表性的三通供水管运行工况，获得供水三通供水管的应力分布，得到三通压力混凝土供水管的外形；

4）结合步骤1）的三维模型和步骤3）的有限元分析结果对三通压力混凝土供水管（1）进行配筋，配筋采用标准截面配筋和局部加固的方式；

5）根据步骤3）所述三通压力混凝土供水管外形和步骤4）所述钢筋布置结果，得到核电站现浇大直径三通压力混凝土供水管整体设计方案；

6）根据步骤5）所述整体设计方案现场配筋和进行混凝土浇注，制作得到核电站现浇大直径三通压力混凝土供水管。

本发明的目的还可以通过以下技术方案实现：

进一步地：所述步骤4）中配筋采用的标准截面配筋和局部加固方法，具体如下：

1）标准截面段配筋

标准截面段配筋是对截面呈内圆外方的直线段即标准段进行配筋，首先对三维模型的直线段剖切，得到垂直于水流方向截面和顺水流方向截面的形状；然后根据步骤3中获得的有限元分析结果提取该截面位置的正应力及剪应力，并进行积分，获得该截面的弯矩、剪力及轴力，选取步骤2）中各工况下获得的该截面最不利的内力效应组合；最后通过梁、柱截面配筋公式获得截面配筋，获得所有标准段的配筋，包括顺水流方向和垂直水流方向内外层受力钢筋；

2）三通交汇处配筋

根据步骤1）分析得到三通压力混凝土供水管交汇处内壁呈蝶形，其表面的应力及内力分布不规则，此处配筋采用局部加固的方式，首先对交汇段进行剖切，得到垂直于水流方向截面和顺水流方向截面的形状；然后根据步骤2）提取该截面的正应力值，区分压应力和拉应力，对拉应力区进行积分，获得拉力值，并按该拉力值全部由该方向的钢筋承受的原则计算钢筋截面面积；最后按主供水管中心线对称原则和步骤1）得到的蝶形内壁形状，进行加固段钢筋布置；在标准截面段与交汇段相交叉位置，采用标准截面段钢筋和局部加固段钢筋叠加配置。

进一步地：所述步骤2）中三通压力混凝土供水管在各种状态下的边界条件包括内水压力、基本荷载和内水温度变化，所述各种状态指三通压力混凝土供水管在正常运行状态、水击状态以及试验状态；所述试验状态最大内水压力是正常运行状态的1.5倍；所述基本荷载包括地面活荷载、外部土水压力和结构自重，处于试验状态时，仅需要考虑结构自重和内水压力以及外部施工荷载；所述内水温度变化是指由于三通压力混凝土供水管壁较厚，在外部地下水与内部管道循环水温差条件下产生的温度荷载，根据不同的运行状态选择相应的温差折减。

进一步地：所述内水温度变化在承载力极限状态，开机瞬间温差不折减；在正常使用状态，正常稳定运行后通过混凝土管温度传导分析获得折减数据进行折减。

进一步地：所述步骤2）中选取出多种具有代表性的三通压力混凝土供水管运行工况，包括以下五种工况：

工况1，运行状态：夏季开机运行时刻，极限状态：承载能力极限状态；

工况2，运行状态：夏季开机运行7天后，极限状态：正常使用极限状态；

工况3，运行状态：水击工况，极限状态：承载能力极限状态；

工况4，运行状态：冬季设计低水温时开机运行，极限状态：承载能力极限状态；

工况5，运行状态：压水试验，极限状态：承载能力极限状态。

进一步地：所述步骤3）是采用有限元软件对在各种工况下的三通压力混凝土供水管三维模型进行有限元静力分析，分析后提取所需的各种内力，包括各坐标轴方向的正应力、剪应力及各主应力，采用标准截面和局部加固方式配筋。

进一步地：所述标准截面段配筋在垂直水流方向配置外方形受力钢筋及内圆形受力钢筋，钢筋紧贴供水管内外壁布置，且预留规范要求保护层厚度；所述标准截面段配筋在顺水流方向配置通长钢筋，通长钢筋布置于外方形受力钢筋及内圆形受力钢筋的内侧；所述三通交汇处配筋，根据蝶形断面形状按顺水流方向及垂直水流方向分别布置异形钢筋构成局部加固段钢筋，垂直水流方向钢筋布置于供水管外壁，且预留规范要求保护层厚度；标准截面段与交汇段的交叉位置，采用标准截面段钢筋和局部加固段钢筋叠加配置，且标准截面段钢筋布置于局部加固段钢筋的外侧。

本发明的有益效果：

1、本发明的设计方法科学、合理，首先建立三通供水管的三维建模，然后对具有代表性的各种工况进行有限元分析，最后再结合三维建模和有限元分析结果进行配筋，该方法解决了大直径现浇钢筋混凝土管的三通段设计问题，省时省力。

2、通过三维建模得到三通供水管交汇处内壁呈蝶形，因此在三通供水管交汇处进行局部加固，使成型后的核电站三通压力混凝土供水管结构更牢固，能够满足核电站运营中各种工况的要求，保障了核电站循环水管的正常运行。

3、本发明的实用性强，能够扩大循环水管的直径，以节约场地、优化布置，开发一种大直径的现浇三通压力混凝土供水管的设计方法，满足国内核电站供水管道的建设需求。

附图说明

图1是本发明中核电站三通压力混凝土供水管的结构示意图。

图2是本发明中核电站三通压力混凝土供水管的侧视图。

图3是本发明中核电站三通压力混凝土供水管的俯视图。

图4是图1中A-A的剖视图。

图5是本发明中核电站三通压力混凝土供水管的横向剖视图。

图6是本发明中核电站三通压力混凝土供水管的纵向剖视图。

图7是本发明中核电站三通压力混凝土供水管交汇处的蝶形剖视图。

图8是本发明中顶板上层和底板下层的配筋图。

图9是本发明中内层钢筋的配筋图。

图10是本发明中三通交汇处内层加固筋的配筋图。

图11是本发明中三通交汇处配筋的剖视图。

图12是图8中1-1的剖视图。

图13是图8中2-2的剖视图。

图14是图8中3-3的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

具体实施例1：

参照图1至图14所示的核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管，该三通供水管1为两支管1-1合并为一主管1-2，支管1-1与主管1-2均为内圆外方形状,三通供水管1内径为4400mm，壁厚1000mm，两支管1-1间夹角为90度，主管1-2与支管1-1夹角135度的结构数据建立三维实体模型如图1所示。

三通供水管1内水压力：设计内水压力350kpa～450kpa，试验压力最大值为650kpa；管道埋深在地面以下20m内。

核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，包括如下步骤：

1）根据三通压力混凝土供水管1的结构数据建立三维实体模型，；选取若干个不同位置的切割点对三维模型进行剖析，得到三通压力混凝土供水管1的内部结构，该三通压力混凝土供水管1交汇处内壁呈蝶形，如图4、图5、图6和图7所示。

2）根据三通压力混凝土供水管1在多种不同状态下的边界条件，选取出多种具有代表性的三通压力混凝土供水管1运行工况；

三通压力混凝土供水管1在正常运行状态、水击状态以及试验状态下的边界条件，该边界条件包括内水压力、基本荷载和内水温度变化；所述水击状态为循环水泵突然启闭或者发生事故时在压力水管内发生水击而导致内水压力突然增大；所述试验状态为循环水管外部回填完成前进行水压试验，试验状态最大内水压力是正常运行状态的1.5倍；所述基本荷载包括地面活荷载、外部土水压力和结构自重，处于试验状态时，仅需要考虑结构自重和内水压力以及外部施工荷载；所述内水温度变化是指由于三通压力混凝土供水管1壁较厚，在外部地下水与内部管道循环水温差条件下产生的温度荷载，根据不同的运行状态选择相应的温差折减。所述内水温度变化在承载力极限状态，开机瞬间温差不折减；在正常使用状态，正常稳定运行后通过混凝土管温度传导分析获得折减数据进行折减。

温差分析结论如下：

本发明重点分析在夏季刚开始通水的最初几天内混凝土管壁的温度变化过程，研究混凝土管壁的温度梯度随时间的变化，为有限元分析提供合理的混凝土管内外壁温度取值。

正常使用极限状态验算中，考虑管壁的温度差随时间的变化降低，且最初几天降低速度较快，第一天可以降低到原来的80％左右，第二天可以降低到原来的2/3左右，一周后变为原来的39.7％，因此，计算中对管壁施加温度荷载时考虑折减系数，根据循环水管埋地位置的重要性选取折减系数，折减系数为0.4～0.8，本发明选取折减系数为0.5。

承载能力极限状态分析中，管壁的温度差按最开始时的温度差计算，即不进行折减。

综上所述，选取出以下五种工况具有代表性的三通压力混凝土供水管1运行工况：

工况1，运行状态：夏季开机运行时刻，极限状态：承载能力极限状态；

工况2，运行状态：夏季开机运行7天后，极限状态：正常使用极限状态；

工况3，运行状态：水击工况，极限状态：承载能力极限状态；

工况4，运行状态：冬季设计低水温时开机运行，极限状态：承载能力极限状态；

工况5，运行状态：压水试验，极限状态：承载能力极限状态。

3）采用有限元程序分析步骤2）中多种具有代表性的三通供水管运行工况，获得供水三通供水管的应力分布，得到三通压力混凝土供水管1的外形；所述步骤3）是采用有限元软件对在各种工况下的三通压力混凝土供水管1三维模型进行有限元静力分析，分析后提取所需的各种内力，包括各坐标轴方向的正应力、剪应力及各主应力，采用标准截面和局部加固方式配筋。

4）结合步骤1）的三维模型和步骤3）的有限元分析结果对三通压力混凝土供水管1进行配筋，配筋采用标准截面配筋和局部加固的方式；

具体如下：

①标准截面段配筋

标准截面段配筋是对截面呈内圆外方的直线段即标准段进行配筋，首先对三维模型的直线段剖切，得到垂直于水流方向截面和顺水流方向截面的形状；然后根据步骤3中获得的有限元分析结果提取该截面位置的正应力及剪应力，并进行积分，获得该截面的弯矩、剪力及轴力，选取步骤2）中各工况下获得的该截面最不利的内力效应组合；最后通过梁、柱截面配筋公式获得截面配筋，获得所有标准段的配筋，包括顺水流方向和垂直水流方向内外层受力钢筋；所述标准截面段配筋在垂直水流方向配置外方形受力钢筋及内圆形受力钢筋，钢筋紧贴供水管内外壁布置，且预留规范要求保护层厚度；所述标准截面段配筋在顺水流方向配置通长钢筋，通长钢筋布置于外方形受力钢筋及内圆形受力钢筋的内侧。

②三通交汇处配筋

根据步骤1）分析得到三通压力混凝土供水管交汇处内壁呈蝶形，其表面的应力及内力分布不规则，此处配筋采用局部加固的方式，首先对交汇段进行剖切，得到垂直于水流方向截面和顺水流方向截面的形状；然后根据步骤2）提取该截面的正应力值，区分压应力和拉应力，对拉应力区进行积分，获得拉力值，并按该拉力值全部由该方向的钢筋承受的原则计算钢筋截面面积；最后按主供水管中心线对称原则和步骤1）得到的蝶形内壁形状，进行加固段钢筋布置，根据蝶形断面形状按顺水流方向及垂直水流方向分别布置异形钢筋构成局部加固段钢筋，垂直水流方向钢筋布置于供水管外壁，且预留规范要求保护层厚度；在标准截面段与交汇段相交叉位置，且标准截面段钢筋布置于局部加固段钢筋的外侧。

5）根据步骤3）所述三通压力混凝土供水管1外形和步骤4）所述钢筋布置结果，得到核电站现浇大直径三通压力混凝土供水管1整体设计方案；三通压力混凝土供水管1整体设计方案如下：

三通供水管1的标准段配筋与常规内圆外方的混凝土管相同，三通供水管交汇处内壁呈蝶形，配筋时需要考虑钢筋的形状与蝶形内壁一致，因此在三通供水管交汇处增加有内层加固钢筋，即三通供水管交汇处包括顶板上层钢筋和底板下层钢筋、侧面钢筋、内层钢筋、内层加固钢筋。

所述顶板上层钢筋和底板下层钢筋除常规顶板、底板外层筋沿水流方向布置，在三通供水管交汇处还设有横向钢筋，如图8所示的16a和16b；所述内层钢筋除常规顶板、底板内层筋沿水流方向布置，还设有与水流方向垂直的加密钢筋，该加密钢筋设置在三通交汇处，该加密钢筋两两垂直，如图9所示的17、18、19a～19g、20a～20g，所述三通交汇处内层加固钢筋在三通交汇处配置垂直水流方向的加密筋，形成三角型，然后通过纵向钢筋两两相搭，如图10所示的22、23、24和25。常规顶板、底板外层筋沿水流方向布置、底板内层筋沿水流方向布置及侧面钢筋的布置采用现有布局。各处钢筋的直径大小根据三通供水管内径尺寸现场放样确定。

6）根据步骤5）所述整体设计方案现场配筋和进行混凝土浇注，制作得到核电站现浇大直径三通压力混凝土供水管1。

具体实施例2：

本实施例的特点是：本发明还适用于内径在3200mm～4400mm之间，壁厚在1000～1100mm的大直径三通压力混凝土供水管。该内径的三通混凝土管钢筋布置形式与本发明的配筋形式一致，但配筋直径和间距，根据各个工程的要求即实际内水压力和管道埋深，对钢筋直径和间距进行相应调整。

Claims (7)

1.核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）根据三通压力混凝土供水管（1）的结构数据建立三维实体模型，选取若干个不同位置的切割点对三维模型进行剖析，得到三通压力混凝土供水管（1）的内部结构，该三通压力混凝土供水管（1）交汇处内壁呈蝶形；

2）根据三通压力混凝土供水管（1）在多种不同状态下的边界条件，选取出多种具有代表性的三通压力混凝土供水管（1）运行工况；

3）采用有限元程序分析步骤2）中多种具有代表性的三通供水管运行工况，获得供水三通供水管的应力分布，得到三通压力混凝土供水管（1）的外形；

4）结合步骤1）的三维模型和步骤3）的有限元分析结果对三通压力混凝土供水管（1）进行配筋，配筋采用标准截面配筋和局部加固的方式；

5）根据步骤3）所述三通压力混凝土供水管（1）外形和步骤4）所述钢筋布置结果，得到核电站现浇大直径三通压力混凝土供水管（1）整体设计方案；

6）根据步骤5）所述整体设计方案现场配筋和进行混凝土浇注，制作得到核电站现浇大直径三通压力混凝土供水管（1）。

2.根据权利要求1所述的核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，其特征在于：所述步骤4）中配筋采用的标准截面配筋和局部加固方法，具体如下：

1）标准截面段配筋

标准截面段配筋是对截面呈内圆外方的直线段即标准段进行配筋，首先对三维模型的直线段剖切，得到垂直于水流方向截面和顺水流方向截面的形状；然后根据步骤3中获得的有限元分析结果提取该截面位置的正应力及剪应力，并进行积分，获得该截面的弯矩、剪力及轴力，选取步骤2）中各工况下获得的该截面最不利的内力效应组合；最后通过梁、柱截面配筋公式获得截面配筋，获得所有标准段的配筋，包括顺水流方向和垂直水流方向内外层受力钢筋；

2）三通交汇处配筋

根据步骤1）分析得到三通压力混凝土供水管（1）交汇处内壁呈蝶形，其表面的应力及内力分布不规则，此处配筋采用局部加固的方式，首先对交汇段进行剖切，得到垂直于水流方向截面和顺水流方向截面的形状；然后根据步骤2）提取该截面的正应力值，区分压应力和拉应力，对拉应力区进行积分，获得拉力值，并按该拉力值全部由该方向的钢筋承受的原则计算钢筋截面面积；最后按主供水管中心线对称原则和步骤1）得到的蝶形内壁形状，进行加固段钢筋布置；在标准截面段与交汇段相交叉位置，采用标准截面段钢筋和局部加固段钢筋叠加配置。

3.根据权利要求1所述的核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中三通压力混凝土供水管（1）在各种状态下的边界条件包括内水压力、基本荷载和内水温度变化，所述各种状态指三通压力混凝土供水管（1）在正常运行状态、水击状态以及试验状态；所述试验状态最大内水压力是正常运行状态的1.5倍；所述基本荷载包括地面活荷载、外部土水压力和结构自重，处于试验状态时，仅需要考虑结构自重和内水压力以及外部施工荷载；所述内水温度变化是指由于三通压力混凝土供水管（1）壁较厚，在外部地下水与内部管道循环水温差条件下产生的温度荷载，根据不同的运行状态选择相应的温差折减。

4.根据权利要求3所述的核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，其特征在于：所述内水温度变化在承载力极限状态，开机瞬间温差不折减；在正常使用状态，正常稳定运行后通过混凝土管温度传导分析获得折减数据进行折减。

5.根据权利要求1或3所述的核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，其特征在于：所述步骤2）中选取出多种具有代表性的三通压力混凝土供水管（1）运行工况，包括以下五种工况：

工况1，运行状态：夏季开机运行时刻，极限状态：承载能力极限状态；

工况2，运行状态：夏季开机运行7天后，极限状态：正常使用极限状态；

工况3，运行状态：水击工况，极限状态：承载能力极限状态；

工况4，运行状态：冬季设计低水温时开机运行，极限状态：承载能力极限状态；

工况5，运行状态：压水试验，极限状态：承载能力极限状态。

6.根据权利要求1或2所述的核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，其特征在于：所述步骤3）是采用有限元软件对在各种工况下的三通压力混凝土供水管（1）三维模型进行有限元静力分析，分析后提取所需的各种内力，包括各坐标轴方向的正应力、剪应力及各主应力，采用标准截面和局部加固方式配筋。

7.根据权利要求2所述的核电站大直径现浇三通压力混凝土供水管的制作方法，其特征在于：所述标准截面段配筋在垂直水流方向配置外方形受力钢筋及内圆形受力钢筋，钢筋紧贴供水管内外壁布置，且预留规范要求保护层厚度；所述标准截面段配筋在顺水流方向配置通长钢筋，通长钢筋布置于外方形受力钢筋及内圆形受力钢筋的内侧；所述三通交汇处配筋，根据蝶形断面形状按顺水流方向及垂直水流方向分别布置异形钢筋构成局部加固段钢筋，垂直水流方向钢筋布置于供水管外壁，且预留规范要求保护层厚度；标准截面段与交汇段的交叉位置，采用标准截面段钢筋和局部加固段钢筋叠加配置，且标准截面段钢筋布置于局部加固段钢筋的外侧。

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