核電工程鋼板混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)與計(jì)算分析

張有佳

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

核電工程鋼板混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)與計(jì)算分析

張有佳

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080）

鋼板混凝土結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)，也作為模塊化施工的重要手段，已在核電工程建設(shè)中開始應(yīng)用，核電工程的鋼板混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)特性及抗震性能成為國(guó)內(nèi)某核電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中必須研究解決的關(guān)鍵技術(shù)。由于缺乏針對(duì)核電工程中鋼板混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專門技術(shù)規(guī)范，許多國(guó)家的監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)核電工程中鋼板混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)提出質(zhì)疑。本文以屏蔽廠房中的鋼板混凝土結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析，研究了核電工程中鋼板混凝土結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的受力特點(diǎn)、反應(yīng)規(guī)律和抗震性能特征，并給出了一些可供實(shí)際工程應(yīng)用的研究結(jié)果。研究工作為核電工程設(shè)計(jì)和編制核安全相關(guān)鋼板混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)程提供參考和技術(shù)支持。主要工作如下：

（1）進(jìn)行了4個(gè)核電工程中應(yīng)用的典型鋼板混凝土組合墻軸壓試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中主要考慮距厚比參數(shù)的不同。分析控制鋼板屈曲的關(guān)鍵因素，研究了鋼板的屈曲規(guī)律。分析了構(gòu)件的破壞機(jī)理、荷載-位移曲線、鋼板的荷載-屈曲曲線。分析結(jié)果表明：鋼板的屈曲對(duì)試件整體剛度影響不明顯，栓釘能有效地保證鋼板和混凝土協(xié)同工作；隨著距厚比變小，試件極限承載力有所提高，鋼板的屈曲應(yīng)變變大。在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，給出了組合墻體的初始剛度和極限承載力的經(jīng)驗(yàn)公式，導(dǎo)出了適合鋼板彈性屈曲應(yīng)變的理論公式。

（2）進(jìn)行了3個(gè)應(yīng)用于核電工程的鋼板混凝土墻體構(gòu)件的低周往復(fù)擬靜力試驗(yàn)。研究了距厚比、不同抗剪連接件的組合形式對(duì)組合墻體抗震性能的影響規(guī)律，分析了組合墻體的剛度退化、延性系數(shù)、滯回性能、耗能能力和破壞模式。基于試件關(guān)鍵部位的鋼板應(yīng)變和混凝土應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)量結(jié)果，分析關(guān)鍵部位的受力狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明：較小的距厚比能夠保證鋼板與混凝土的協(xié)同工作，避免鋼板出現(xiàn)局部屈曲；加勁肋作為抗剪連接件可以有效提高墻體整體剛度、承載能力、延性和耗能能力。試件最終以墻體與基礎(chǔ)梁交接處的混凝土被壓碎或拉壞為主要破壞形式，試驗(yàn)表明：鋼板混凝土墻體具有很強(qiáng)的抗破壞能力，但鋼板混凝土與

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的交接處容易產(chǎn)生破壞，在實(shí)際工程中要保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鋼板混凝土結(jié)構(gòu)有足夠的錨固強(qiáng)度。

（3）采用有限元軟件ABAQUS建立4個(gè)豎向軸壓鋼板混凝土試驗(yàn)試件。模型考慮了材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等因素的影響。采用實(shí)體單元模擬剪力抗剪連接件，對(duì)試驗(yàn)試件的受力過(guò)程、變形過(guò)程、屈曲分析、極限承載力以及破壞形態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好，基于試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，分析了試件的受力和破壞機(jī)理。

（4）采用有限元軟件ABAQUS對(duì)豎向軸壓鋼板混凝土試驗(yàn)試件中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。選定混凝土強(qiáng)度、墻體鋼板含鋼量、鋼板強(qiáng)度和距厚比作為分析參數(shù)，對(duì)試件的極限承載力和荷載-位移曲線進(jìn)行敏感性分析。分析結(jié)果表明：設(shè)計(jì)參數(shù)中，混凝土強(qiáng)度的影響程度要比鋼板強(qiáng)度和含鋼量的影響程度要大；混凝土強(qiáng)度的變化要比鋼板強(qiáng)度、含鋼量的變化和組合結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線的影響要更復(fù)雜些。距厚比對(duì)試件的荷載-位移曲線影響較小，承載力幾乎沒(méi)有變化，但對(duì)鋼板的屈曲影響很大。

（5）采用有限元軟件ABAQUS對(duì)國(guó)內(nèi)某核電核島結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分析了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。以設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為依據(jù)合成的人工地震動(dòng)作為地震反應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)輸入地震動(dòng)，進(jìn)行時(shí)程分析。驗(yàn)證了3個(gè)方向在設(shè)計(jì)地震動(dòng)均為0.3g的情況下，核島結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的安全性。通過(guò)調(diào)整輸入地震動(dòng)的峰值加速度，得到不同峰值加速度下核島結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，分析了鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)中鋼板與混凝土各自的受力機(jī)理。計(jì)算表明：屏蔽廠房與輔助廠房的交接處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，鋼板主要在該處產(chǎn)生屈服應(yīng)力，并且屈服應(yīng)力不會(huì)向中間部位的鋼板延伸?；炷猎谂c基礎(chǔ)連接處出現(xiàn)第三主壓應(yīng)力，并且該處混凝土首先會(huì)出現(xiàn)被壓碎現(xiàn)象。在地震反應(yīng)過(guò)程中，鋼板和混凝土出現(xiàn)了分離現(xiàn)象。核島結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)的樓層反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果分析表明：當(dāng)輸入地震動(dòng)峰值加速度從0.3g到1.35g逐步加大時(shí)，樓板反應(yīng)譜的形狀發(fā)生明顯的變化，峰值加速度對(duì)應(yīng)的周期變大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生了明顯變化，樓層反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)峰值加速度值也相應(yīng)變大。樓層反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的周期超過(guò)0.6s后，隨著輸入地震動(dòng)的增加，反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的加速度均勻增加，對(duì)應(yīng)段的反應(yīng)譜出現(xiàn)平移效果。

關(guān)鍵詞核電工程鋼板混凝土；抗震性能；試驗(yàn)研究；屈曲分析；ABAQUS；樓層反應(yīng)譜

（作者電子信箱，張有佳：zhangyj274510@163.com）

中圖分類號(hào)：TU352.11；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.010