CN114397190B - 模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置及其方法。缩尺试验装置包括安装基础、截锥体结构试件、安全壳施力模拟机构、应变片以及位移计；截锥体结构试件包括试件本体，试件本体整体上通过等比例缩小既有安全壳截锥体的尺寸而得到，且试件本体上设置有与既有安全壳截锥体承力部位对应的承力部，以与所述的安全壳施力模拟机构的动力输出端连接，安全壳施力模拟机构通过所述的安装基础支撑。安全壳施力模拟机构所输出的动力，通过试件本体的相应承力部承接，试件本体在受力过程中产生的应变通过应变片检测、位移则通过位移计检测，从而真实模拟安全壳截锥体的受力情况，可以为安全壳截锥体的设计提供准确的理论依据。

Description

模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置及其方法，属于安全壳截锥体模拟设备技术领域。

背景技术

安全壳是核电站的安全屏障，在正常运行时或失水事故造成的温度和压力下，保证释放到环境的放射性物质在允许的限制内。安全壳能够承受龙卷风、地震、海啸等自然灾害，能承受外来飞击物的冲击，无论在以上何种恶劣环境条件下，安全壳应具有良好的密封性和承受失水事故压力的结构抗力。

目前，国内外对核电安全壳结构的研究主要分为以下几个方面：（1）安全壳预应力损失的研究；（2）安全壳整体性能试验方法的研究；（3）内压作用下的研究，分为设计基准压力下和超设计基准压力下的研究；（4）地震荷载作用下的研究；（5）失水事故（LOCA）所产生的高温作用下的研究（6）冲击荷载作用下的研究。

由于核电安全壳中截锥体部位一般不是最先破坏部位，关于截锥体部位的数值模拟研究较少，试验研究更是寥寥无几。但是截锥体作为安全壳底部的重要部位，其安全性对于安全壳来说至关重要。

因此我们有必要通过缩尺试验的方式来研究核电安全壳中截锥体部位的复杂受力性能。

发明内容

本发明的目的是提出一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置及其方法，以实现模拟安全壳截锥体的真实受力状态，并获取准确的试验结果。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，包括安装基础、截锥体结构试件、安全壳施力模拟机构、应变片以及位移计；其中：

所述的截锥体结构试件，固定在安装基础上，包括试件本体；所述试件本体整体上通过等比例缩小既有安全壳截锥体的尺寸而得到，并以既有安全壳截锥体的受力分析为基础，在试件本体上设置有与既有安全壳截锥体承力部位一一对应的承力部；

所述的安全壳施力模拟机构，通过所述的安装基础支撑，且安全壳施力模拟机构的动力输出端与所述的试件本体上的承力部连接；

所述的应变片，贴附在试件本体上，用于检测试件本体在承力过程中的应变情况；

所述的位移计，安装在安装基础上，用于检测试件本体在承力过程中的位移情况；

安全壳施力模拟机构所输出的动力，通过试件本体的相应承力部承接，促使试件本体产生应变并发生可能的位移，其中，试件本体在承力过程中所产生的应变通过所述应变片检测而得，而试件本体在承力过程中所发生的位移则通过所述的位移计检测而得。

优选地，所述的试件本体上分别设置有模拟安全壳台座承接底面、模拟安全壳台座端部相接变截面、模拟安全壳内壳承接部、模拟安全壳外壳承接面以及外侧地平固定部；其中：

所述的模拟安全壳内壳承接部，用于模拟既有安全壳的内壳与截锥体之间的连接处；所述模拟安全壳台座承接底面，用于模拟既有安全壳截锥体承接设备混凝土台座下部的底面；

所述模拟安全壳台座端部相接变截面，用于模拟既有安全壳截锥体与设备混凝土台座的侧面相触接的上扬倾斜面；

所述的模拟安全壳外壳承接面，用于模拟既有安全壳的外壳与截锥体之间的连接处；

模拟安全壳台座承接底面、模拟安全壳台座端部相接变截面均布置在模拟安全壳内壳承接部的内侧，且模拟安全壳台座承接底面与模拟安全壳台座端部相接变截面的下端连接而成L形型面，而模拟安全壳台座端部相接变截面的上端则与所述的模拟安全壳台座端部相接变截面的上端邻接；模拟安全壳外壳承接面、外侧地平固定部呈台阶状布置在模拟安全壳内壳承接部的外侧，且模拟安全壳外壳承接面与安全壳内壳承接部邻近，而外侧地平固定部则靠近所述试件本体的底面设置，并配装有地锚螺栓；

所述试件本体在模拟安全壳台座承接底面的外侧连接有混凝土块；所述混凝土块配装有若干地锚螺栓；

所述的试件本体通过各地锚螺栓锚固。

优选地，所述的安全壳台座端部相接变截面在靠近安全壳台座承接底面的位置处设置第一承力部，安全壳内壳承接部的竖向顶面设置第二承力部、横向内侧面设置第三承力部，模拟安全壳外壳承接面上设置有第四承力部；

所述的安全壳施力模拟机构，包括安全壳内壳施力模拟机构、安全壳外壳施力模拟机构以及安全壳台座膨胀施力模拟机构，其中：

所述的安全壳内壳施力模拟机构，模拟既有安全壳的内壳对截锥体的施力情况而构建，包括横向施力机构以及竖向施力机构，所述横向施力机构的动力输出端与第三承力部连接，而竖向施力机构的动力输出端则与第二承力部连接；

所述的安全壳外壳施力模拟机构，模拟既有安全壳的外壳对截锥体的施力情况而构建；所述安全壳外壳施力模拟机构的动力输出端与所述第四承力部连接；

所述的安全壳台座膨胀施力模拟机构，模拟既有安全壳的设备混凝土台座因受热膨胀而对截锥体的施力情况而构建；所述安全壳台座膨胀施力模拟机构的动力输出端与所述第一承力部连接。

优选地，所述的安装基础包括分别固定在地面上的剪力墙以及承力架；所述的横向施力机构包括二号油压千斤顶，而竖向施力机构包括四号油压千斤顶；

所述剪力墙上悬臂安装有钢柱；

所述的二号油压千斤顶，呈水平置放；且二号油压千斤顶的一端通过矩形钢板b与第三承力部连接，另一端则通过矩形垫板a与钢柱的悬臂端连接；

所述的四号油压千斤顶，呈竖直置放；且四号油压千斤顶的上端通过反力架与第二承力部连接，下端则通过承力架支撑。

优选地，所述承力架整体呈门形，包括一根横梁以及两根支撑立柱；两根支撑立柱分设在试件本体处于纵向的两侧，且两根支撑立柱的下端均固定在地面，而横梁设置在试件本体的上方，且横梁的两端分别与两根支撑立柱的上端对接组成一个门形支架。

优选地，所述的反力架包括钢绞线、肋梁板以及矩形垫板a，肋梁板位于矩形垫板a的上方，且肋梁板各角部位置均锚固有一根钢绞线，各钢绞线的下端均穿出矩形垫板a后与所述矩形垫板a锚固；

承力架的横梁位于肋梁板、矩形垫板a之间；四号油压千斤顶的上端与所述肋梁板的下表面连接，而四号油压千斤顶的下端则通过所述横梁支撑。

优选地，所述试件本体在纵向两侧各配置有一个侧向支撑；每一个侧向支撑均包括两个钢架以及一根钢梁，钢架刚接在地面上，钢梁刚接在钢架上，且钢梁的内侧配置有两个以上的滑轮，各滑轮均与试件本体的侧面抵接。

优选地，所述的安全壳外壳施力模拟机构包括三号油压千斤顶；

所述的三号油压千斤顶呈竖向置放，且三号油压千斤顶的下端通过矩形钢垫板安装在第四承力部上，而三号油压千斤顶的上端与预应力钢绞线的上端锚接，预应力钢绞线穿过三号油压千斤顶的中心后，锚固于试件本体中，且预应力钢绞线在试件本体中的锚固位置靠近试件本体的下底面设置。

优选地，所述的安全壳台座膨胀施力模拟机构，包括一号油压千斤顶；

所述的一号油压千斤顶，呈横向置放，且一号油压千斤顶的左侧与安装基础上悬臂设置的钢筋混凝土柱连接，右侧则通过锲形钢垫板与所述第四承力部连接。

本发明的另一个技术目的是提供一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验方法，基于上述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置而实现，包括以下步骤：

步骤一，利用结构计算软件计算正常使用状态下等比例缩小尺寸的截锥体结构试件的受力情况

利用结构计算软件建立等比例缩小尺寸的安全壳模型，计算得到安全壳内壳重力、预应力筋约束力、安全壳内压力以及安全壳外壳重力；

将所得到的安全壳内壳重力、预应力筋约束力、安全壳内压力形成的合力分解成施加至模拟安全壳内壳承接部的横向推力和竖向拉力；

将所得到的安全壳外壳重力作为施加至模拟安全壳外壳承接面的竖向压力；

步骤二，截锥体极限承载力缩尺试验装置中关键部件制备

按照步骤1中安全壳模型的缩小比例，将既有安全壳截锥体按照同样的缩小比例缩小，以得到截锥体结构试件，并将截锥体结构试件与混凝土块共同浇筑并留好插地锚螺栓的孔洞，而后在截锥体结构试件各承力部所在位置处粘结相应的梯形或矩形钢板；

制备符合安全要求的钢筋混凝土柱以及钢柱；

步骤三，截锥体极限承载力缩尺试验装置的安装

将步骤二制备的截锥体结构试件与混凝土块放到离剪力墙的适当位置处，然后插入地锚螺栓，并且将侧向支撑架安装到截锥体结构试件两侧；

将反力架固定在地面上，接着将4个油压千斤顶依次安装在适当位置上，而后将肋梁板安装到四号油压千斤顶上方，并将钢绞线穿过此肋梁板以及截锥体结构试件上方的矩形垫板，并一一采用锚具将钢绞线分别与肋梁板、矩形垫板锚固住；

将三号油压千斤顶预顶2厘米，然后将穿过三号油压千斤顶的钢绞线锚固到三号油压千斤顶上方；

将应变片以及位移计安装到截锥体结构试件上，并与相应的计算机相连；

步骤四，试验的操作和数据的记录：

首先分别控制二号油压千斤顶、四号油压千斤顶，以分别给第二承力部、第三承力部对应施加步骤一获得的横向推力、竖向拉力，以模拟安全壳内壳重力、预应力钢筋预应力、安全壳内压力带来的合力；记录应变及位移情况；

控制三号油压千斤顶给第四承力部施加步骤一所获得的竖向压力，以模拟安全壳外壳的重力；记录应变及位移情况；

控制一号油压千斤顶，给第一承力部进行分级加载：首先，施加初压力，记录应变及位移情况，并观察裂缝开展情况；然后逐级施加等额递增压力，记录应变及位移情况，并观察裂缝开展情况，直至截锥体结构试件破坏。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

1. 本发明以通过分析既有安全壳中截锥体的受力情况，构建了一套缩尺试验装置，以实现模拟既有安全壳截锥体的真实受力状态，并获取准确的试验结果，另外，本发明还可以准确模拟出截锥体的极限承载力，以构建力学性能满足需要的安全壳，或者为安全壳在实际工况下的受力情况分析提供理论数据支撑。

2. 本发明四号油压千斤顶采用穿孔式油压千斤顶，采用无粘结预应力钢筋配合油压千斤顶施加安全壳外壳的压力，这样即可以准确地施加压力，又不需要使用反力架，试验装置相对简单，试验方法操作较为便捷。

3. 本发明将截锥体与混凝土块共同浇筑限制截锥体的径向位移，并且用带滑轮的钢架抵住截锥体两侧限制截锥体的横向位移，达到模拟截锥体实际受约束情况的效果。

4. 本发明中一号油压千斤顶和二号油压千斤顶与试件本身不接触，不会给截锥体试件带来附加力，能合理准确地模拟安全壳截锥体的实际受力情况，客观真实地反映安全壳截锥体的极限承载力及破坏特征。

附图说明

图1为一种既有安全壳的结构示意图。

图2为模拟图1中所示既有安全壳的截锥体而设计的截锥体结构试件；

图3为本发明所述的模拟正常使用状态下的安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置的结构示意图；

图4为本发明所述的模拟正常使用状态下的安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置在另一个方向上的结构示意图；

图5为一号油压千斤顶周围构造结构示意图；

图6为二号油压千斤顶周围构造结构示意图；

图7为三号油压千斤顶周围构造结构示意图；

图8为四号油压千斤顶周围构造结构示意图；

图中：1、截锥体结构试件；2、钢筋混凝土柱；3、一号油压千斤顶；4、混凝土块；5、地锚螺栓；6、钢柱；7、二号油压千斤顶；8、三号油压千斤顶；9、四号油压千斤顶；10、侧向支撑架；11、反力架；12、螺栓；13、钢拉索；14、锲形钢垫板；15、矩形钢垫板；16、预应力钢绞线；17、肋梁板；18、三孔锚块；19、滑轮；20、锚具；21、钢梁；22、截锥体与安全壳内壳相连接处；23、截锥体与安全壳外壳相连接处；24、矩形垫板a；25、矩形垫板b；26、矩形钢板a；27、剪力墙；28、橡胶管；29、锚栓；30、矩形钢板b；31、钢绞线；32、设备混凝土台座；33、安全壳外壳；34、安全壳内壳；35、截锥体。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1公开了一种既有安全壳的结构示意图，根据图示可知，在既有的安全壳中，与截锥体35相连的部分有安全壳内壳34、安全壳外壳33、设备混凝土台座32。

通常地，在正常使用状态下，安全壳内部的设备在工作过程中发热会导致底部的设备混凝土台座32膨胀，设备混凝土台座32与截锥体35相互接触，设备混凝土台座32膨胀会导致截锥体35承受向外的推力。截锥体35形状不规则且受力情况复杂，因此，需要一种合理的方法准确模拟出截锥体35的极限承载力，以构建力学性能满足需要的安全壳，或者为安全壳在实际工况下的受力情况分析提供理论数据支撑。

另外，在既有的安全壳中，安全壳内壳34中预埋有预应力钢筋，且安全壳内部的设备与安全壳内壳34相接触，因此安全壳内壳34的自重、安全壳内壳中预应力筋的预应力、安全壳内部的设备压力都会导致截锥体与安全壳内壳的相连接处产生一定的力，截锥体与安全壳内壳相连接处的合力即为以上3个力的合力。

截锥体35与安全壳外壳相连接处只受到安全壳外壳33的自重作用。

安全壳在正常使用的状态下，截锥体35与安全壳外壳相连接处、截锥体与安全壳内壳相连接处所受到的力通常均能够维持恒定不变。而设备混凝土台座32与截锥体35相连接处受到设备混凝土台座32膨胀带来的压力，由于安全壳内温度是变化的，因此设备混凝土台座32膨胀带来的压力也是变化的，当压力增大到一定程度后，截锥体35会发生破坏，此时的压力值即为截锥体的极限承载力。

本发明根据上述的既有安全壳中截锥体与周围关联部件之间受力情况分析，构建了一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，能够较为合理准确地模拟安全壳截锥体在正常使用工况下的实际受力情况，并客观真实地反映出安全壳截锥体的极限承载力及破坏特征。

如图2~8所示，本发明所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，包括安装基础、截锥体结构试件1、安全壳施力模拟机构、应变片以及位移计；其中：所述的截锥体结构试件1，包括固定在安装基础上的试件本体，所述试件本体整体上通过等比例缩小既有安全壳截锥体的尺寸而得到，并以既有安全壳截锥体的受力分析为基础，在试件本体上设置有与既有安全壳截锥体承力部位对应的承力部，以与所述的安全壳施力模拟机构的动力输出端连接，安全壳施力模拟机构通过所述的安装基础支撑。安全壳施力模拟机构所输出的动力，通过试件本体的相应承力部承接，促使试件本体产生应变并发生可能的位移，其中，试件本体在承力过程中所产生的应变可以通过贴附在试件本体上的应变片检测而得，而试件本体在承力过程中所发生的位移则可以通过安装基础上所安装的位移计检测而得，通过应变片、位移计检测反馈的数据，可以模拟出安全壳截锥体在正常工作状况下的实际受力情况。当然，也可以通过控制安全壳施力模拟机构所输出的动力，直至截锥体结构试件1产生的最大裂缝宽度大于规范规定的最大裂缝宽度允许值，来模拟研究既有安全壳截锥体的极限承载力及破坏特征，为后续的既有安全壳截锥体研究提供数据支撑。

具体地，如图2所示，本发明所述的试件本体上分别设置有模拟安全壳台座承接底面1-1、模拟安全壳台座端部相接变截面1-2、模拟安全壳内壳承接部、模拟安全壳外壳承接面1-3以及外侧地平固定部1-4；其中：模拟安全壳内壳承接部用于模拟既有安全壳的内壳与截锥体之间的连接处，模拟安全壳台座承接底面1-1以及模拟安全壳台座端部相接变截面1-2连接而形成的连续型面用于模拟既有安全壳内的设备混凝土台座32与既有安全壳截锥体之间的接触型面，所述的连续型面设置在模拟安全壳内壳承接部的一侧；所述的试件本体在模拟安全壳内壳承接部的另一侧分别设置有所述的模拟安全壳外壳承接面1-3以及所述的外侧地平固定部1-4，其中模拟安全壳外壳承接面1-3用于模拟既有安全壳的外壳与截锥体之间的连接处，靠近所述的模拟安全壳内壳承接部设置，外侧地平固定部1-4通过插接地锚螺栓5，将所述试件本体的一侧固定到安装基础上，而在试件本体的另一侧（与外侧地平固定部1-4相对的一侧），设置有混凝土块4，混凝土块与所述的试件本体一体浇筑成型，且混凝土块4插有9根地锚螺栓5，以将所述试件本体的另一侧安装固定到安装基础上。

安全壳台座端部相接变截面1-2在靠近安全壳台座承接底面1-1的位置处设置第一承力部，安全壳内壳承接部的竖向顶面设置第二承力部、横向内侧面设置第三承力部，模拟安全壳外壳承接面1-3设置有第四承力部。

本发明所述的安全壳施力模拟机构，包括安全壳内壳施力模拟机构、安全壳外壳施力模拟机构以及安全壳台座膨胀施力模拟机构，其中：

所述的安全壳内壳施力模拟机构，模拟既有安全壳的内壳对截锥体的施力情况而构建，包括四号油压千斤顶9以及二号油压千斤顶7，其中，四号油压千斤顶9施加竖向力（图3中的上下方向），上端通过反力架11与第二承力部连接，下端通过固定在地面上的承力架支撑，二号油压千斤顶7施加横向力（图3中的左右方向），右端通过矩形钢板b30与第三承力部连接。左端通过矩形垫板a24与悬臂安装在剪力墙上的钢柱6连接，所述的钢柱6通过螺栓12以及钢拉索13固定在剪力墙27上。

如图3~4所示，本发明所述承力架整体呈门形，包括一根横梁以及两根支撑立柱，两根支撑立柱分设在试件本体处于纵向的两端，且两根支撑立柱的下端均固定在地面，而横梁设置在试件本体的上方，且横梁的两端分别与两根支撑立柱的上端对接，从而组成一个门形支架。

本发明中，如图3、8所示，反力架11包括钢绞线31、肋梁板17、矩形钢板a26，肋梁板17位于矩形钢板a26的上方，且肋梁板17、矩形钢板a26均呈矩形，肋梁板17在四个角部各穿出一根钢绞线31，并采用锚具20将钢绞线31的上端与肋梁板17锚固，每一根钢绞线31的下端均穿出矩形钢板a26后采用锚具20锚固（即钢绞线31与矩形钢板a26之间也采用锚具20锚固）。矩形钢板a26置于第二承力部的上方并与第二承力部连接（通过设置于第二承力部的外穿钢筋，实现矩形钢板a26与截锥体结构试件1之间的连接）。承力架的横梁位于肋梁板17、矩形钢板a26之间。四号油压千斤顶9的上端与所述肋梁板17的下表面连接，四号油压千斤顶9的下端则通过所述横梁支撑。

本发明中，为对试件本体进行侧向支撑，防止试件本体发生纵向移动，本发明所述试件本体配装了侧向支撑机构，包括分设在试件本体两侧的侧向支撑，每一个侧向支撑均包括两个通过一根钢梁21连接的钢架10，钢架10刚接在地面上，钢梁21刚接在钢架上，钢梁21上有两个滑轮19抵在试件本体的侧面。侧向支撑的配置，可以有效地防止试件本体发生纵向（图3中的前后方向）位移。

所述的安全壳外壳施力模拟机构，模拟既有安全壳的外壳对截锥体的施力情况而构建，包括三号油压千斤顶8。如图3、7所示，三号油压千斤顶8施加竖向力（图3中的上下方向），下端通过矩形钢垫板15安装在第四承力部上。上端则通过三孔锚块18锚接预应力钢绞线16的上端，锚接预应力钢绞线16的下端通过锚栓29锚固于试件本体中，且预应力钢绞线16在试件本体中的锚固位置靠近试件本体的下底面设置。同时试件本体预埋有竖向橡胶管28，用于置放预应力钢绞线16。

所述的安全壳台座膨胀施力模拟机构，模拟既有安全壳的设备混凝土台座32因受热膨胀而对截锥体的施力情况而构建，包括一号油压千斤顶3。如图3、图5所示，一号油压千斤顶3施加横向力（图3中的左右方向），左侧通过矩形垫板b25与安装基础上悬臂设置的钢筋混凝土柱连接，右侧则通过锲形钢垫板14与所述第四承力部连接。本发明所述的安装基础包括安装在地上的剪力墙，钢筋混凝土柱2通过螺栓12以及钢拉索13固定在剪力墙27上。

本发明中，一号油压千斤顶3的量程大于二号油压千斤顶7的量程。

截锥体结构试件1与内侧的混凝土块4共同浇筑，混凝土块上4留有9个孔洞，由9根地锚螺栓5将其固定在地上。截锥体结构试件1外侧留有一个孔洞，由地锚螺栓5将其固定在地上。每一根地锚螺栓5的承载力为500kN。

以下将结合附图详细地说明本发明的一个优先实施例。

实施例1

本实施例所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置包括截锥体结构试件1，截锥体结构试件1内侧边缘处连接一块混凝土块4，混凝土块4插有9根地锚螺栓5，截锥体结构试件1外侧部位插有1根地锚螺栓5，截锥体结构试件1两侧设置侧向支撑10；截锥体结构试件1的内侧斜面位置沿水平方向设置一较大量程的一号油压千斤顶3，一号油压千斤顶3通过矩形垫板b25与钢筋混凝土柱2相连，钢筋混凝土柱2悬臂设置，通过螺栓12以及钢拉索13固定在剪力墙27上；截锥体结构试件1上，模拟既有安全壳与内壳连接处的部位22，在截锥体结构试件1的内侧竖直平面处沿水平方向设置一较小量程的二号油压千斤顶7，而沿竖直方向设置一个由四号油压千斤顶9、反力架11组成的反力装置，反力架11包括钢绞线31、肋梁板17、矩形钢板a26。二号油压千斤顶7通过矩形垫板a24与钢柱6相连，钢柱6通过螺栓12以及钢拉索13固定在剪力墙27上；截锥体结构试件1上，模拟既有安全壳与内壳连接处的部位23的上方，沿竖直方向设置一个由三号油压千斤顶8和预应力钢绞线16组成的反力装置。

截锥体结构试件1与内侧的混凝土块4共同浇筑，混凝土块4上留有9个孔洞，由9根地锚螺栓5将其固定在地上。截锥体结构试件1外侧留有一个孔洞，由地锚螺栓5将其固定在地上。每一根地锚螺栓5的承载力为500kN。

截锥体结构试件两侧的侧向支撑构造形式为：包括两个钢架10以及一根钢梁21，钢架10刚接在地面上，钢梁21刚接在钢架上，钢梁21上有两个滑轮19抵在截锥体上。

一号油压千斤顶3一侧通过一块锲形钢垫板14与截锥体结构试件的倾斜面相连，一号油压千斤顶3的力通过锲形钢垫板14均匀地施加在截锥体结构试件的倾斜面上；另一侧则通过矩形垫板b25与悬臂固定在剪力墙27上的钢筋混凝土柱2的悬臂端相连，使一号油压千斤顶3能够固定住。

二号油压千斤顶7的一侧通过一块矩形钢板b30与截锥体结构试件1的第三承力部相连，则二号油压千斤顶7的力则通过矩形钢板b30均匀地施加在截锥体结构试件1上模拟既有安全壳与内壳连接处的部位22的竖直侧面（第三承力部）上；另一侧则通过矩形垫板a24与悬臂连接在剪力墙27上的钢柱6的悬臂端相连，使二号油压千斤顶7能够固定住。

反力架11与地面刚接，四号油压千斤顶9放置在反力架11上，上方固定一块肋梁板17，肋梁板17通过4根钢绞线31与矩形钢板a26相连，矩形钢板a26之间置于截锥体结构试件1中模拟既有安全壳与内壳连接处的部位22的横平面（第二承力部）上方，用锚具20将钢绞线31分别锚固在肋梁板17的上方以及矩形钢板a26的下方。四号油压千斤顶9施加的力通过肋梁板17、钢绞线31、矩形钢板a26转化为施加在截锥体结构试件1的第二承力部的均匀拉力。

截锥体结构试件1中模拟既有安全壳与内壳连接处的部位22有12根竖向钢筋穿出混凝土（外穿钢筋）与矩形钢板a26焊接在一起，保证四号油压千斤顶9施加的拉力由外穿钢筋承担，不至于将截锥体结构试件1的混凝土层拉坏。

三号油压千斤顶8为穿孔式油压千斤顶，三号油压千斤顶8下方的矩形钢垫板15中间留有一个孔洞，截锥体与安全壳外壳相连接处23沿竖直方向预埋3根橡胶管28，预应力钢绞线16穿过橡胶管28、矩形钢垫板15以及穿孔式油压千斤顶8，下端通过锚栓29锚固在截锥体靠近底面处，上端通过三孔锚块18锚固在三号油压千斤顶8顶部。

三号油压千斤顶8在使用时要先预顶一段距离，防止在实验过程中三号油压千斤顶回油导致预应力钢绞线回缩，进而导致截锥体结构试件1发生不必要的破坏。

实施例2

基于上述的构建模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，本发明还提供一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验方法，包括如下步骤：

步骤一，利用结构计算软件计算正常使用状态下等比例缩小尺寸的截锥体的受力情况。

既有安全壳在正常使用的状态下，内部设备发热会导致底部的设备混凝土台座32膨胀，设备混凝土台座32与截锥体35相互接触，设备混凝土台座32膨胀会导致截锥体35承受向外的推力。截锥体35形状不规则且受力情况复杂，需要一种合理的方法准确模拟出截锥体35的极限承载力。

在既有安全壳中，与截锥体35相连的部分有安全壳内壳34、安全壳外壳33、设备混凝土台座32。安全壳内壳34中有预应力钢筋，安全壳内部的设备与安全壳内壳相接触，因此安全壳内壳34的自重、安全壳内壳中预应力筋的预应力、安全壳内部的设备压力都会导致截锥体与安全壳内壳相连接处产生一定的力，截锥体与安全壳内壳相连接处的合力即为以上3个力的合力。

截锥体35与安全壳外壳相连接处只受到安全壳外壳33的自重作用。截锥体与安全壳外壳相连接处23和截锥体与安全壳内壳相连接处受到的力是不变的。

设备混凝土台座32与截锥体相连接处受到设备混凝土台座32膨胀带来的压力，由于安全壳内温度是变化的，因此设备混凝土台座32膨胀带来的压力也是变化的，当压力增大到一定程度后，截锥体35会发生破坏，此时的压力值即为截锥体的极限承载力。

利用结构计算软件建立等比例缩小尺寸的安全壳模型，计算得到安全壳内壳重力、预应力筋约束力、安全壳内压力，使得安全壳模型中，截锥体与安全壳内壳相连接处受到6kN水平向右的推力、7kN竖直向上的拉力；安全壳外壳重力使截锥体与安全壳外壳相连接处受到37kN竖直向下的压力。

步骤二，截锥体极限承载力缩尺试验装置中关键部件制备：

将安全壳截锥体等比例缩小尺寸得到试验用的截锥体结构试件1，将截锥体结构试件1与混凝土块4共同浇筑并留好插地锚螺栓的孔洞，在各油压千斤顶（一号、二号、三号以及四号油压千斤顶）在截锥体结构试件上所施加力位置处粘结相应的梯形或矩形钢板。制备符合安全要求的钢筋混凝土柱2（用于支撑一号油压千斤顶3）以及钢柱6（用于支撑二号油压千斤顶7）。

步骤三，截锥体极限承载力缩尺试验装置的安装：

将步骤二制备的截锥体结构试件1与混凝土块4放到离剪力墙27适当位置处，然后插入地锚螺栓5，并且将侧向支撑架10安装到截锥体结构试件1两侧。

将反力架11固定在地面上，然后将4个油压千斤顶依次安装在适当位置上，而后将肋梁板17安装到四号油压千斤顶9上方，并将钢绞线21穿过此肋梁板17以及截锥体结构试件1上方的矩形钢板a26，并一一采用锚具20将钢绞线31分别与肋梁板17、矩形钢板a26锚固住。

将三号油压千斤顶8预顶2厘米，然后将穿过三号油压千斤顶8的钢绞线16锚固到三号油压千斤顶上方。

将应变片以及位移计安装到截锥体结构试件1上，并与相应的计算机相连。

步骤四，试验的操作和数据的记录：

首先分别控制二号油压千斤顶7、四号油压千斤顶9，以分别给第二承力部、第三承力部对应施加6kN推力、7kN拉力以模拟安全壳内壳重力、预应力钢筋预应力、安全壳内压力带来的合力；记录应变及位移情况。

控制三号油压千斤顶8给第四承力部施加37kN压力以模拟安全壳外壳的重力；记录应变及位移情况。

控制一号油压千斤顶3给第一承力部进行分级加载。首先，施加300kN的初压力，记录应变及位移情况，并观察裂缝开展情况；然后每一级增加150kN，记录应变及位移情况，并观察裂缝开展情况，直至截锥体破坏。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，其特征在于，包括安装基础、截锥体结构试件、安全壳施力模拟机构、应变片以及位移计；其中：

所述的截锥体结构试件，固定在安装基础上，包括试件本体；所述试件本体整体上通过等比例缩小既有安全壳截锥体的尺寸而得到，并以既有安全壳截锥体的受力分析为基础，在试件本体上设置有与既有安全壳截锥体承力部位一一对应的承力部；

所述的安全壳施力模拟机构，通过所述的安装基础支撑，且安全壳施力模拟机构的动力输出端与所述的试件本体上的承力部连接；

所述的应变片，贴附在试件本体上，用于检测试件本体在承力过程中的应变情况；

所述的位移计，安装在安装基础上，用于检测试件本体在承力过程中的位移情况；

安全壳施力模拟机构所输出的动力，通过试件本体的相应承力部承接，促使试件本体产生应变并发生可能的位移，其中，试件本体在承力过程中所产生的应变通过所述应变片检测而得，而试件本体在承力过程中所发生的位移则通过所述的位移计检测而得；

所述的试件本体上分别设置有模拟安全壳台座承接底面、模拟安全壳台座端部相接变截面、模拟安全壳内壳承接部以及模拟安全壳外壳承接面；所述的模拟安全壳内壳承接部，用于模拟既有安全壳的内壳与截锥体之间的连接处；所述模拟安全壳台座承接底面，用于模拟既有安全壳截锥体承接设备混凝土台座下部的底面；所述模拟安全壳台座端部相接变截面，用于模拟既有安全壳截锥体与设备混凝土台座的侧面相触接的上扬倾斜面；所述的模拟安全壳外壳承接面，用于模拟既有安全壳的外壳与截锥体之间的连接处；

模拟安全壳台座端部相接变截面在靠近模拟安全壳台座承接底面的位置处设置第一承力部，模拟安全壳内壳承接部的竖向顶面设置第二承力部、横向内侧面设置第三承力部，模拟安全壳外壳承接面上设置有第四承力部；

所述的安全壳施力模拟机构，包括安全壳内壳施力模拟机构、安全壳外壳施力模拟机构以及安全壳台座膨胀施力模拟机构，其中：

所述的安全壳内壳施力模拟机构，模拟既有安全壳的内壳对截锥体的施力情况而构建，包括横向施力机构以及竖向施力机构，所述横向施力机构的动力输出端与第三承力部连接，而竖向施力机构的动力输出端则与第二承力部连接；

所述的安全壳外壳施力模拟机构，模拟既有安全壳的外壳对截锥体的施力情况而构建；所述安全壳外壳施力模拟机构的动力输出端与所述第四承力部连接；

所述的安全壳台座膨胀施力模拟机构，模拟既有安全壳的设备混凝土台座因受热膨胀而对截锥体的施力情况而构建；所述安全壳台座膨胀施力模拟机构的动力输出端与所述第一承力部连接。

2.根据权利要求1所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，其特征在于，所述的试件本体上还设置外侧地平固定部；

模拟安全壳台座承接底面、模拟安全壳台座端部相接变截面均布置在模拟安全壳内壳承接部的内侧，且模拟安全壳台座承接底面与模拟安全壳台座端部相接变截面的下端连接而成L形型面，而模拟安全壳台座端部相接变截面的上端则与所述的模拟安全壳台座端部相接变截面的上端邻接；模拟安全壳外壳承接面、外侧地平固定部呈台阶状布置在模拟安全壳内壳承接部的外侧，且模拟安全壳外壳承接面与安全壳内壳承接部邻近，而外侧地平固定部则靠近所述试件本体的底面设置，并配装有地锚螺栓；

所述试件本体在模拟安全壳台座承接底面的外侧连接有混凝土块；所述混凝土块配装有若干地锚螺栓；

所述的试件本体通过各地锚螺栓锚固。

3.根据权利要求2所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，其特征在于，所述的安装基础包括分别固定在地面上的剪力墙以及承力架；所述的横向施力机构包括二号油压千斤顶，而竖向施力机构包括四号油压千斤顶；

所述剪力墙上悬臂安装有钢柱；

所述的二号油压千斤顶，呈水平置放；且二号油压千斤顶的一端与第三承力部连接，另一端则与钢柱的悬臂端连接；

所述的四号油压千斤顶，呈竖直置放；且四号油压千斤顶的上端通过反力架与第二承力部连接，下端则通过承力架支撑。

4.根据权利要求3所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，其特征在于，所述承力架整体呈门形，包括一根横梁以及两根支撑立柱；两根支撑立柱分设在试件本体处于纵向的两侧，且两根支撑立柱的下端均固定在地面，而横梁设置在试件本体的上方，且横梁的两端分别与两根支撑立柱的上端对接组成一个门形支架。

5.根据权利要求4所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，其特征在于，所述的反力架包括钢绞线、肋梁板以及矩形垫板，肋梁板位于矩形垫板的上方，且肋梁板各角部位置均锚固有一根钢绞线，各钢绞线的下端均穿出矩形垫板后与所述矩形垫板锚固；

承力架的横梁位于肋梁板、矩形垫板之间；四号油压千斤顶的上端与所述肋梁板的下表面连接，而四号油压千斤顶的下端则通过所述横梁支撑。

6.根据权利要求5所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，其特征在于，所述试件本体在纵向两侧各配置有一个侧向支撑；每一个侧向支撑均包括两个钢架以及一根钢梁，钢架刚接在地面上，钢梁刚接在钢架上，且钢梁的内侧配置有两个以上的滑轮，各滑轮均与试件本体的侧面抵接。

7.根据权利要求6所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，其特征在于，所述的安全壳外壳施力模拟机构包括三号油压千斤顶；

所述的三号油压千斤顶呈竖向置放，且三号油压千斤顶的下端安装在第四承力部上，而三号油压千斤顶的上端与预应力钢绞线的上端锚接，预应力钢绞线穿过三号油压千斤顶的中心后，锚固于试件本体中，且预应力钢绞线在试件本体中的锚固位置靠近试件本体的下底面设置。

8.根据权利要求7所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置，其特征在于，所述的安全壳台座膨胀施力模拟机构，包括一号油压千斤顶；

所述的一号油压千斤顶，呈横向置放，且一号油压千斤顶的左侧与安装基础上悬臂设置的钢筋混凝土柱连接，右侧则通过锲形钢垫板与所述第四承力部连接。

9.一种模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验方法，基于权利要求8所述的模拟安全壳截锥体极限承载力的缩尺试验装置而实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，利用结构计算软件计算正常使用状态下等比例缩小尺寸的截锥体结构试件的受力情况

利用结构计算软件建立等比例缩小尺寸的安全壳模型，计算得到安全壳内壳重力、预应力筋约束力、安全壳内压力以及安全壳外壳重力；

将所得到的安全壳内壳重力、预应力筋约束力、安全壳内压力形成的合力分解成施加至模拟安全壳内壳承接部的横向推力和竖向拉力；

将所得到的安全壳外壳重力作为施加至模拟安全壳外壳承接面的竖向压力；

步骤二，截锥体极限承载力缩尺试验装置中关键部件制备

按照步骤1中安全壳模型的缩小比例，将既有安全壳截锥体按照同样的缩小比例缩小，以得到截锥体结构试件，并将截锥体结构试件与混凝土块共同浇筑并留好插地锚螺栓的孔洞，而后在截锥体结构试件各承力部所在位置处粘结相应的梯形或矩形钢板；

制备符合安全要求的钢筋混凝土柱以及钢柱；

步骤三，截锥体极限承载力缩尺试验装置的安装

将步骤二制备的截锥体结构试件与混凝土块放到离剪力墙的适当位置处，然后插入地锚螺栓，并且将侧向支撑架安装到截锥体结构试件两侧；

将反力架固定在地面上，接着将4个油压千斤顶依次安装在适当位置上，而后将肋梁板安装到四号油压千斤顶上方，并将钢绞线穿过此肋梁板以及截锥体结构试件上方的矩形垫板，并一一采用锚具将钢绞线分别与肋梁板、矩形垫板锚固住；

将三号油压千斤顶预顶2厘米，然后将穿过三号油压千斤顶的钢绞线锚固到三号油压千斤顶上方；

将应变片以及位移计安装到截锥体结构试件上，并与相应的计算机相连；

步骤四，试验的操作和数据的记录：

首先分别控制二号油压千斤顶、四号油压千斤顶，以分别给第二承力部、第三承力部对应施加步骤一获得的横向推力、竖向拉力，以模拟安全壳内壳重力、预应力钢筋预应力、安全壳内压力带来的合力；记录应变及位移情况；

控制三号油压千斤顶给第四承力部施加步骤一所获得的竖向压力，以模拟安全壳外壳的重力；记录应变及位移情况；

控制一号油压千斤顶，给第一承力部进行分级加载：首先，施加初压力，记录应变及位移情况，并观察裂缝开展情况；然后逐级施加等额递增压力，记录应变及位移情况，并观察裂缝开展情况，直至截锥体结构试件破坏。