付尚进 　 杨昌洲 　 胡 斐 　 孟 超 　 李祥鹏

(1.中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州　510000；2.贵州省建筑设计研究院，贵州 贵阳　550000；　3.山东济宁新金昊地产有限公司，山东 济宁　272000;4.青岛精信工程管理有限公司，山东 青岛　260000;　5.青岛建安建设集团有限公司，山东 青岛　260000)



核岛SC组合屏蔽结构不同受力形式下的破坏模式

付尚进1杨昌洲2胡 斐3孟 超4李祥鹏5

(1.中国建筑第四工程局有限公司，广东 广州510000；2.贵州省建筑设计研究院，贵州 贵阳550000；3.山东济宁新金昊地产有限公司，山东 济宁272000;4.青岛精信工程管理有限公司，山东 青岛260000;5.青岛建安建设集团有限公司，山东 青岛260000)

基于现有研究资料，从正常荷载作用、失水事故、地震作用、温度作用、爆炸作用、冲击荷载作用六方面，介绍了核电站安全壳常见受力形式下的破坏模式，为新型SC组合屏蔽结构的设计提供参考。

核电站，SC组合屏蔽结构，破坏模式，安全壳

1　概述

目前针对核电站屏蔽结构的设计，国内外已有相关的文献和规范进行了详细分析，如中国的《核电厂抗震设计规范》和美国的《Code Requirements for Nuclear Safety-Related Concrete Structures(ACI 349-06) and Commentary》。以往针对核电站安全壳的研究中，主要研究对象是钢安全壳屏蔽结构以及预应力混凝土安全壳屏蔽结构，而针对安全壳SC组合屏蔽结构的受力形式以及破坏模式则鲜有研究。一方面，在进行核岛安全壳屏蔽结构设计中，主要考虑恒重、活荷载、事故工况以及温度、地震、爆炸冲击作用的影响，不同的荷载工况组合下，屏蔽结构的受力形式各不相同。另一方面自SC组合结构形式诞生以来，国内外针对SC组合结构墙、板、柱、梁的试验研究也有不少，但所研究的试验对象主要针对单一的受力形式，较少研究两种或三种受力形式试件的受力性能[1，2]。美国西屋公司在进行AP1000核电站安全壳的设计中，采用了钢板—混凝土组合结构模型，而目前尚未有专门针对该类核岛安全壳屏蔽结构破坏模式的研究，本文针对核岛安全壳屏蔽结构的受力形式以及SC组合结构构件在不同受力形式下的破坏模式进行介绍，为今后进行核岛安全壳SC组合屏蔽结构力学性能研究和设计提供参考。本文通过阅读以往的研究资料，对核电站安全壳的常见的受力形式下的破坏模式进行分析，为新型SC组合屏蔽结构的设计提供参考。

2　核岛SC组合屏蔽结构的破坏模式

`1)核岛SC组合屏蔽结构正常荷载作用组合下的破坏模式。考虑核岛SC组合屏蔽结构正常荷载作用主要包括恒重与活荷载，在正常荷载作用组合下，核岛安全壳屏蔽结构设计时只需考虑结构模型的弹性极限，研究核岛安全壳SC组合屏蔽结构在各类受力形式下的弹性极限，首先需要考虑界面内的抗剪连接度，即钢板与混凝土之间协同工作的能力，其次基于组合结构设计原理采用平截面假定，进行组合结构各类受力形式下弹性极限的计算。由于两侧钢板能够很好的保证屏蔽结构的安全性和密闭性，因此可以适当允许组合结构中核心混凝土开裂。在此主要借鉴国内外核电站有关的设计规范，进行分析比较。

2)核岛SC组合屏蔽结构失水事故(LOCA)下的破坏模式。核电厂所有带强放射性的关键设备都安装在反应堆安全壳厂房内，以便在失水事故下限制放射性物质外溢，核电站安全壳是用来控制和限制放射性物质从反应堆扩散出去，以保护公众不会遭受放射性物质的伤害，为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故，核电站设有危急冷却系统，它由安全注射系统和安全壳喷淋系统组成[3]。一旦接收到极端失水事故的信号后，安全注射系统会向反应堆内注射高压含硼水，当二回路主蒸汽管道破裂时，安全壳内充满了带放射性的高压蒸汽，安全壳喷淋系统将用来降低安全壳内压力和温度，使放射性蒸汽凝结下来。在LOCA失水事故中，安全壳会受到内部高压和高温作用，因此进行安全壳SC组合屏蔽结构失水事故(LOCA)下受力性能和破坏模式研究，考虑屏蔽结构遭受平面外压强以及内部高温作用下的受力形式和破坏模式。

3)核电站SC组合屏蔽结构地震作用组合下的破坏模式。国内外有关于核电站安全壳抗震设计规范中都考虑了地震作用组合，包括双向水平地震作用以及竖向地震作用组合，通过时程分析方法以及振动台试验研究核电站安全壳的受力形式和破坏模式[4，5]。本文在此基础上，总结安全壳在地震作用下的受力形式，通过SC组合结构试件在几类荷载形式下破坏模式的研究，可进一步分析SC组合屏蔽结构的破坏模式。

4)核电站SC组合屏蔽结构温度作用下的破坏模式。在钢筋混凝土组合结构中，虽然钢材与混凝土材料的线膨胀系数相近，但是由于在核电站安全壳中，LOCA事故下或是爆炸作用下，高温都是瞬间产生，无法实现有效的传递，因此会造成安全壳内外壁短时间内温差较大，由于温度变化的影响，间接造成安全壳产生较大的内力，如果设计不合理，很容易造成构件的局部破坏，进而会影响屏蔽结构的受力形式和抗震能力。借鉴国内外有关安全壳屏蔽结构的温度试验的检测结果，进行分析处理，界定实际内外壁温差，计算SC组合屏蔽结构局部内外壁的相对变形，进而为屏蔽结构的设计提供可靠的参考数据。

5)核电站SC组合屏蔽结构爆炸作用下的破坏模式。1979年美国三里岛核事故震惊全球，引起美国公民对核安全的恐慌，至此30年内，美国没有再建设核电站，造成三里岛核事故的主要原因在于安全壳内部氢气燃烧爆炸，当氢气爆炸时，产生的激振波面是极不连续的冲击波，爆炸冲击波沿着产生化学反应的媒介以超音速进行传播，压缩安全壳内部空气，造成空气密度增大，引起内部压强急剧增强，温度骤增，冲击波在安全壳表面反射又会对安全壳带来极大的冲击压强，反射后的冲击波又与内部冲击波相互碰撞。当氢气爆燃时，安全壳内部水分蒸发，高温水蒸气也会进一步增强安全壳内部压强和提高内部温度，因此安全壳成为内部氢气爆燃后阻止核泄漏的最后一道屏障[6]。类似于LOCA失水事故，也需要进一步研究冲击压力和高温的影响，区别在于LOCA作用时间较长，氢气爆燃作用时间较短，需要考虑材料在此类情形下的本构模型，同时需要考虑结构受力形式研究SC组合屏蔽结构的破坏模式。爆炸除了考虑安全壳内部氢气爆燃外，还有外部爆炸，或是炸弹，或是其他物质，在安全壳外侧发生爆炸时对安全壳本身受力的影响。

6)核电站SC组合屏蔽结构冲击荷载作用下的破坏模式。自美国9·11事件以来，凡属于特殊重要结构的，都开始考虑冲击荷载作用的影响，或是飞机，或是其他飞行物体，而安全壳的主要作用在于屏蔽外部飞行物冲击对安全壳内部的影响，因此冲击荷载作用下SC组合屏蔽结构的破坏模式就显得尤为重要，结合冲击荷载作用下核电站安全壳受力形式以及SC组合结构冲击荷载作用下的破坏模式进行SC组合屏蔽结构冲击作用下破坏模式的理论分析[7]。

3　结语

目前主要是针对SC组合结构梁、墙、板和柱等构件进行试验研究，还需要进行SC组合屏蔽结构实体模型在各类荷载作用组合下的力学性能研究分析，以便更好的保证核设施周边地区的人民的生命财产安全，本文分析了正常荷载作用、LOCA、爆炸、冲击、温度以及地震作用下核电站安全壳的受力形式，在进行新型SC组合结构核电站安全壳的设计中，要同时考虑多种荷载作用下的影响[8，9]。安全壳作为最后一道生命保护的屏障，必须能够极大限度内承担核设施所带来的潜在威胁。

[1]卞洪兴,骆伟.压水堆核电站安全壳研究[J].核动力工程,1986,7(1):24-32.

[2]王天运,任辉启,张力军,等.核电站安全壳结构设计概要[J].工程力学,2003(1):397-402.

[3]Farzad,Choobdar,Rahim,etc..A study of large break LOCA in the AP1000 reactor containment[J].Process in Nuclear Energy,2012(54):132-137.

[4]李冬梅.某核电站安全壳的隔震地震反应分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2007.

[5]郑砚国,李惠强.核电站预应力混凝土安全壳的老化因素研究[J].华中科技大学学报,2009,26(4):57-61.

[6]石岩峰,卫宏,许东翰,等.某核电站安全壳的地震反应分析[J].工业建筑,2011,41(6):84-87.

[7]申祖武,刘国强,王天运,等.炸药触地爆炸后核电站安全壳基底振动响应[J].岩土力学,2009,30(8):2540-2544.

[8]杨勋,楼云峰,余克勤,等.核电站防波堤地震动力响应即破坏机理分析[J].振动与冲击,2013,32(19):100-105.

[9]T,L,Schulz.Westinghouse AP1000 advanced passive plant[J].Nuclear Engineering and Design,2006(236):1547-1557.

[10]张有佳.核电工程钢板混凝土结构抗震性能试验与计算分析[D].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所,2014.

Damage modes of nuclear island SC composite shielding structure under different stress forms

Fu Shangjin1Yang Changzhou2Hu Fei3Meng Chao4Li Xiangpeng5

(1.ChinaBuilding4thEngineeringBureauCo.,Ltd,Guangzhou510000,China;2.GuizhouAcademyofBuildingDesign,Guiyang550000,China;3.ShandongJiningXinjinhaoRealEstateCo.,Ltd,Jining272000,China；4.QingdaoJingxinEngineeringManagementCo.,Ltd，Qingdao260000,China;5.QingdaoJian’anConstructionGroupCo.,Ltd,Qingdao260000,China)

Based on current research data, starting from six aspects of normal load function, coolant accident, seismic function, temperature action, blasting action and compacting load action, the paper introduces the nuclear power station damage forms under common stress forms, which has provided some guidance for designing new SC composite shielding structure.

nuclear-power station, SC composite shielding structure, damage mode, safe containment

1009-6825(2016)19-0040-02

2016-04-21

付尚进(1988- )，男，助理工程师；杨昌洲(1985- )，男，助理工程师；胡斐(1989- )，男，助理工程师；

TU398.9

A

孟超(1988- )，男，助理工程师；李祥鹏(1988- )，男，助理工程师