0 引言

　　乏燃料接收与贮存设施(101厂房)主要功能为乏燃料组件的存放，要求在任何情况下都要保证乏燃料贮存水池中贮存的乏燃料组件处于次临界状态。该子项的平面布置及立面三维模型如图1,2所示，可接收乏燃料运输容器的质量约为110t，由130t起重机吊运，其行走路线如图1中箭头所示。

　　

　　图1 厂房平面布置 

　　 

　　

　　图2 厂房立面三维模型  

　　 

　　在此路线行走范围内，需要考虑乏燃料运输容器跌落的工况。在容器冲洗坑、容器冷却坑及卸料水池部分，跌落高度分别约为11,15,18m。由于容器质量大，跌落高度高，冲击力很大，如果直接传递至101厂房结构，楼板等构件将无法承受。同时，此冲击力引起的厂房结构振动也会导致乏燃料水池内的乏燃料组件达到临界的风险。为防止上述风险发生，对101厂房中上述3个地点均设置减振层以耗散和吸收大部分能量，避免容器坠落时动能直接传递至结构和核设施，保证厂房结构和设备安全。

　　自1917年Abrams^[1]首次发现混凝土动态抗压强度存在速率敏感性至今，人们对混凝土在不同应变率下的动态力学性能已进行了广泛的研究。Bischoff等^[2]和Ross^[3]总结了高应变率下混凝土的抗压性能，动载作用下材料力学性能的变化也逐渐成为各学者研究的重点。

　　乏燃料接收与贮存设施(101厂房)减振层材料的选取通常采用蒸压加气混凝土块。郭全全等^[4]对蒸压加气混凝土砌块的落锤冲击试验进行了有限元模拟;通过减振层缩尺试验，验证模拟方法的可行性;最终建立燃料厂房分层壳模型，模拟并研究不同厚度的减振层下，乏燃料容器坠落对燃料厂房的冲击响应。

　　本文选用不同强度等级的加气混凝土、泡沫混凝土、XPS挤塑板作为试验材料进行了冲击试验研究。试验中考虑了试件厚度、试件强度、冲量等因素的影响。

　　1 试验概况

　　1.1 材料选取

　　根据相关文献试验结果和分析，材料的破坏承载力由其动抗压强度乘以破坏面积确定^[5]。减振层宜选取低强度、高极限变形能力的材料。本试验选用加气混凝土、泡沫混凝土、XPS挤塑板作为试验材料。其中加气混凝土选取3个强度等级，即A5.0,A3.5,A1.0。

　　1.2 材料性能测试

　　1)材料静载试验采用300t液压伺服加载机，按照0.5kN/s的加载速度进行加载。

　　2)材料动载试验采用STLH-1800仪器化落锤冲击试验机，冲击试验设备如图3所示。

　　

　　图3 STLH-1800仪器化落锤冲击试验机   

　　 

　　3)每组试件设置3个平行试件，取3个平行试件的强度平均值作为该组试件强度值。

　　4)考虑到实际试件切割及尺寸效应的影响，对于加气混凝土及泡沫混凝土，动载试验与静载试验采用相同的试件尺寸，75mm×75mm×35(65)mm;对于XPS挤塑板，动载试验尺寸为75mm×75mm×50(70)mm，静载试验试件尺寸为100mm×100mm×50mm。

　　1.3 试验参数

　　试件如表1所示。定义动载系数γ为动载试验得出的动态强度与对应试块静载强度的比值。

　　2 试验结果分析

　　2.1 同种材料不同冲量

　　2.1.1 35mm厚混凝土试块

　　35mm厚混凝土试块试验结果如表2所示，在该厚度下，随着冲量增加，整体冲击接触时间变长，但动强度变化规律不明显。35mm厚试块由于厚度较小，受尺寸及加载设备约束影响，在冲击荷载作用下，实测动强度结果较为离散。

　　2.1.2 65mm厚混凝土试块

　　65mm厚混凝土试块试验结果如表3所示。在该厚度下，随着冲量增加，冲击接触时间变长，动强度增加。

　　  

　　表1 试件参数 

　　 

　　 

　　

　　表1 试件参数

　　  

　　表2 35mm厚试块试验结果 

　　 

　　 

　　

　　注:工况15中落锤冲击到底板，括号内数值为冲击底板峰值强度，故此工况不参与冲击接触时间的讨论

　　表2 35mm厚试块试验结果

　　  

　　表3 65mm厚试块试验结果 

　　 

　　 

　　

　　注:*数据试件缺陷较大

　　表3 65mm厚试块试验结果

　　2.1.3 XPS挤塑板试块

　　由XPS试件18～22可知，50mm厚较薄XPS挤塑板试件随着冲量增加，动强度和冲击接触时间变化规律并不明显，70mm厚试件动强度随着冲量增加而变大。

　　2.2 质量速度敏感性分析

　　本试验对A3.5加气混凝土和XPS试件进行了落锤质量、速度敏感性试验。对比组改变落锤质量和冲击接触速度，保证冲量一致。图例命名规则为:工况(质量(kg)×速度(m/s))。

　　2.2.1 A3.5加气混凝土

　　A3.5材料质量和速度的敏感性对比如图4所示。

　　

　　图4 A3.5材料质量和速度的敏感性对比  

　　 

　　由图4可知，当保证冲量(48kg·m/s)一致时，增大落锤质量工况的试件动强度较增大速度工况动强度增加27%。此类试件落锤质量比冲击速度更敏感，而两种工况对冲击接触时间无明显影响。

　　2.2.2 XPS挤塑板

　　XPS挤塑板质量和速度的敏感性对比如图5所示。由图5可知，对于XPS挤塑板试件，速度增大工况的试件动强度比质量增大工况的试件动强度增大19%，冲击接触时间减少56%。可见对于该类试件冲击速度较落锤质量对动力性能的影响更敏感。

　　

　　图5 XPS挤塑板质量和速度的敏感性对比  

　　 

　　2.3 试件材料种类分析

　　相同冲量(8kg·6m/s)下厚35,65mm不同材料冲击强度和冲击时间如图6～9所示。当试件厚度一定，且冲量相同时，随着材料的静载强度增大，冲击反力和动强度均会增加，而冲击接触时间则会减小。

　　

　　图6 相同冲量下厚35mm不同材料冲击强度对比  

　　 

　　

　　图7 相同冲量下厚35mm不同材料冲击时间对比  

　　 

　　

　　图8 相同冲量下厚65mm不同材料冲击强度对比  

　　 

　　2.4 试件厚度分析

　　

　　图9 相同冲量下厚65mm不同材料冲击时间对比  

　　 

　　选用减振材料在48kg·m/s冲量下，厚度对冲击性能的影响如图10,11所示。

　　

　　图1 0 48kg·m/s冲量下变厚度冲击强度对比  

　　 

　　

　　图1 1 48kg·m/s冲量下变厚度冲击接触时间对比  

　　 

　　由图10可知，试件厚度由35mm增大至65mm时(XPS挤塑板出于安全，取50mm和70mm),A5.0加气混凝土动强度降低23%,A3.5加气混凝土动强度基本不变，A1.0加气混凝土动强度降低3%，泡沫混凝土动强度提升20%,XPS挤塑板动强度降低14%。

　　由图11可知，试件厚度由35mm增大至65mm时(XPS挤塑板取50mm和70mm),A5.0加气混凝土冲击接触时间增大80%,A3.5加气混凝土冲击接触时间增大54%,A1.0加气混凝土冲击接触时间增大134%,XPS挤塑板冲击接触时间增大53%，泡沫混凝土冲击接触时间增大198%。

　　3 减振材料选择建议

　　具体减振层材料选择时要依据实际工况需求，如减振层设计要求厚度较小，选择强度相对较高的减振材料，如A5.0蒸压加气混凝土块，产生冲击反力较大，但是变形量较小，可满足要求;当减振层设计对厚度要求较为富裕，可选择强度相对较低的减振材料，产生冲击反力较小，变形量较大。

　　4 结语

　　1)动强度一般大于材料静载强度，本次试验中对于A5.0加气混凝土，γ值为0.95～1.38;对于A3.5加气混凝土，γ值为0.89～1.21;对于A1.0加气混凝土，γ值为1.01～1.28;对于泡沫混凝土，γ值为1.48～1.81;对于XPS挤塑板，γ值为0.94～1.33。

　　2)本试验中当试件厚度为65mm时，随着冲量增加，冲击接触时间变长，动强度增加;试件厚度为35mm时，冲击接触时间变长，但是动强度变化规律不明显。

　　3)当冲量一致时，针对A3.5加气混凝土的动强度，落锤质量较冲击速度更为敏感;针对XPS挤塑板的动强度，冲击速度较落锤质量更为敏感。

　　4)当试件厚度相同，冲量相同时，随着材料强度的增大，冲击反力和动强度均会增加，而冲击接触时间则会减小。

　　5)当冲量相同，试件厚度由35mm变为65mm时，各材料动强度降低或基本不变，冲击接触时间均变长。

　　6)实际厂房减振层需依据设计要求选用减振材料，当设计要求减振层厚度有限，建议选取强度相对较高的减振材料;当设计要求减振层厚度较为富裕，建议选择强度相对较低的减振材料。