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编委特刊 樊健生教授团队:钢板混凝土结构在核电厂工程中的应用研究

来源:火狐nba直播在线观看免费    发布时间:2024-06-25 03:53:17
编委特刊 樊健生教授团队:钢板混凝土结构在核电厂工程中的应用研究
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参数

  钢板混凝土结构性能优越,在民用建筑、桥梁、隧道等工程中得到了愈来愈普遍的应用。当应用于核电厂时,钢板混凝土结构在受力特点、功能需求和施工建造方面表现出较强的特殊性,近年来国内外已经开展了大量钢板混凝土在核电厂工程中的应用研究,形成了较为完整的规范体系。文章对钢板混凝土结构在核电厂工程中的应用与研究现在的状况进行综述,包括相关的结构设计规范情况、典型的结构构造形式、基础构件和单元力学性能及设计方法、特殊工况下(事故工况、大飞机撞击等)结构性能与设计方法。并针对核电厂特殊功能需求和精细化设计建造方面的要求,提出了要进一步研究的问题,包括各类型钢板混凝土基本单元的复杂静力性能测试;钢板混凝土结构在特殊工况下的受力性能和设计条件;合理简单的构造方式;模块加工精度、混凝土浇筑温度和模块变形控制、混凝土浇筑密实度和质量控制等关键建造技术。

  钢板混凝土结构近年来得到了比较广泛的研究,并在高层建筑、沉管隧道、大型桥塔、核电厂等工程中得到了慢慢的变多的应用[1-4],成为了继钢-混凝土组合梁和钢管混凝土组合柱之后,又一类重要的组合结构及形式,非常适合于墙、板、壳等二维构件。钢板-混凝土结构通常包括单侧钢板-混凝土结构和双侧钢板-混凝土结构,前者适用于水平构件,如楼板或穹顶;后者适用于竖向构件,如墙体、筒体等。其相对于传统钢筋混凝土结构的特点和优势包括:1)钢板-混凝土结构既方便施工又使钢板处于受弯最有利的外层,因此具有更高的抗弯承载力;2)面内受剪时,由于钢板具有比混凝土及钢筋强得多的抗剪能力,从而能够放宽剪压比限值,节省材料;3)混凝土裂缝不外露,耐久性提高,且受到钢板约束,构件刚度更大;4)由受拉侧钢板屈服来控制结构极限破坏模式时,能够表现出优异的延性。且外侧钢板对内部混凝土的约束可以在很大程度上避免混凝土脆性所带来的延性不足;5)钢板作为各向同性材料,在主拉应力方向复杂的构件中具有较高的受力效率;6)钢板-混凝土组合结构的整体性和韧性较强,特别是背侧钢板能预防混凝土崩落,使其抗爆和抗冲击能力明显提升;7)密封性能好;8)便于模块化施工,节约工期。

  鉴于上述特点和优点,日本学者在 20 世纪 80 年代末至 90 年代期间,开展了钢板混凝土结构的系列研究工作,并于 2002 年在柏崎·刈羽核电站的固态废料焚烧炉厂房中首次全面应用了钢板混凝土结构[5]。美国在先进压水堆 AP1000 和 US-APWR 核电站核岛内部结构设计中,将钢板混凝土结构及其模块化施工方式,作为第三代核电站的重要特征之一[6-7]。AP1000 机组目前已在我国浙江三门核电站、山东海阳核电站[4]以及美国 Vogtle 核电站的核岛内部结构中得到应用,并取得了良好的技术经济效益。我国自主研发的 CAP1400 等新一代核电站技术,除了主要内部结构采用钢板混凝土结构外,还将钢板混凝土结构作为屏蔽厂房的主要结构方案。目前我国自主研发的“华龙一号”核电机组核岛厂房部分区域也逐步采用了钢板混凝土模块[8]。我国即将开工建设的第四代先进核能系统——60 万千瓦高温气冷堆安全壳及其内部结构大量采用了钢板混凝土结构[9]。此外,包括轻水反应堆(ALWRs)和小型模块化反应堆(SMRs)在内的下一代核电站,也在考虑使用钢板混凝土结构作为主要的屏蔽和防护结构。但由于 20 世纪末至今新建核电项目在整个世界范围内的减少,总体上的应用案例并不多。

  相比于民用建筑、桥梁、隧道等,钢板混凝土结构应用于核电厂具有较强的特殊性,主要体现在:

  1) 受力方面。核电厂抗震设置防护要求较高,同时安全壳结构须抵御商用大飞机撞击等超设计基准的外部事件。核电厂结构以较大尺寸的不规则墙体和壳体为主,呈现出复杂的面内外耦合受力特征。

  2) 功能需求方面。核电厂安全壳面临极高的密闭性要求,同时在事故工况下还面临高温作用。

  3) 施工方面。核电厂投资大,对工期极为敏感,需要采用大模块实现快速建造。

  上述特征使得核电厂钢板混凝土结构在构造形式、受力性能和设计方法等方面均表现出明显的特色。因此,本文重点介绍钢板混凝土结构在核电厂中的应用研究,从设计规范、结构构造、受力性能与设计方法等方面展开,并对目前研究工作与工程实践的差距进行了总结,提出了亟需开展研究的问题和方向。

  2) 日本 JEAC 4618—2009《钢板混凝土结构抗震设计作业规程》[11]较为系统地给出了核电钢板混凝土结构特别是相关关键连接节点构造的要求,并给出了抗震分析中可采用的恢复力模型。

  3) 中国 GB/T 51340—2018《核电站钢板混凝土结构技术标准》[12]较为系统地给出了核电钢板混凝土结构设计与施工相关规定。

  附录 N9 的规定适用于由两块钢板及内部填充混凝土组成的墙体结构,其中,钢板由钢连接件锚固在混凝土中,并且使用对拉拉杆进行连接。

  关于结构分析方法,附录 N9.2 规定,除特殊说明外,钢板混凝土墙及连接部位的强度验算应通过弹性有限元分析确定,采用弹性三维厚壳或实体单元。计算结构对冲击或冲击荷载的响应时,能够直接进行非线弹性动力分析。事故热工况的有限元分析在确定荷载组合时应进行传热分析,确定热负荷。此外还详细地介绍了有限元分析参数选择,对有效刚度、几何和材料特性等进行了规定;在确定单元内力时,平面内膜力、平面外弯矩和平面外剪力应通过弹性有限元分析来确定,应通过将长度和宽度不大于截面厚度的 2 倍的面板单元的内力进行平均,作为该单元所承受的荷载。在洞口附近以及连接区域,应通过计算长度和宽度不大于截面厚度的面板单元的平均荷载来确定。

  在结构和构件设计上,附录对钢板混凝土墙的厚度、钢板厚度、墙体含钢率、混凝土和钢板的强度等级进行了规定;将钢板混凝土墙划分为内部墙体非连接区域和连接区域,其中,连接区域由宽度不小于墙体厚度、不大于 2 倍墙体厚度的条带组成;为避免钢板发生屈曲,规定了连接件的距厚比限值;为了发挥钢板和混凝土的组合作用,给出了连接件和对拉构造的设计的基本要求;给出了洞口周围墙体的设计方法和详细要求。针对钢板混凝土墙的设计,附录在计算中忽略内部混凝土对抗拉强度的贡献以及加劲肋对墙体强度的贡献,给出了单轴抗拉承载力、抗压承载力,面外抗弯承载力,面内和面外抗剪承载力的计算公式,并给出了面外剪力复合、面内膜力和面外弯矩复合工况下的承载力计算方式。针对连接节点的设计,为保证合理的传力机制并确保相应传力机制下的连接件设计强度,规定了连接件的设计强度。附录的相关条文都针对平面墙体,当曲率半径与截面厚度的比值大于 20 时,曲率的影响可忽略不计,否则应该评估曲率对墙体受力性能的影响。

  日本 JEAC 4618—2009《钢板混凝土结构抗震设计作业规程》适用于陆上核电站钢板混凝土结构的抗震设计和支撑固定设备部位的安全性评估。标准适用的构造形式包括双钢板混凝土剪力墙、单钢板混凝土楼板、钢板混凝土剪力墙和楼板的连接节点、钢板混凝土剪力墙和基础的节点、钢板混凝土结构与其他结构的组合节点。

  在结构分析方法上,规程规定建(构)筑物建模应基于反映钢板混凝土结构特征的质点系模型或三维有限元模型。其中,质点系模型的对象是基础底板以上的部分,在水平方向等效为以受弯和受剪为主的多轴模型,或将各部分集中视为单轴模型,认为质量集中在楼板位置,剪力墙和柱在受弯剪时提供刚度;在竖直方向等效为轴向弹簧体系,质量集中在楼板位置,剪力墙和柱的刚度作为轴向弹簧的刚度;剪力墙的刚度应考虑钢板影响,并给出了计算方式,也可采用有限元方法计算等效刚度;考虑温度荷载产生的热应力时,可采取塑性刚度评价法或弹性刚度折减法。使用三维有限元分析时,剪力墙、柱、梁和楼板应使用壳单元、梁单元等做多元化的分析。规程还给出了抗震分析中考虑非线性时可采用的恢复力模型,给出了质点系模型在水平方向的地震响应分析时,钢板混凝土墙的恢复力特性,即剪力-剪切应变关系和弯矩-曲率关系。

  在设计方法上,规程对钢板混凝土结构设计和抗震安全性验证办法来进行了规定。给出了钢板厚度的适宜范围,并为防止钢板发生屈曲,规定了连接件距厚比限值;给出了对栓钉和加劲肋等连接件的规格要求;给出了在轴力、弯矩、面内和面外剪力作用下,钢板、混凝土、钢筋、螺栓等各部分贡献的计算方式;针对洞口部位、固定设备部位、连接节点处的设计给出了构造要求。在抗震安全性验算方法上,规程给出了在基准地震力、以及弹性设计用地震力和静态地震力作用下的建(构)筑物和基础承载力的设计的基本要求和限值;给出了地震作用下各层承载力的计算公式;规定正常使用状态下最大响应剪切应变不允许超出 2.0×10-3;规定了对于受地震影响的建(构)筑物,应验证抗震等级较高的设施在地震作用下的层间最大剪力是否超过其水平承载力。

  为了适应三代核电站模块化设计和施工的要求,在核电站建设中实现对钢板混凝土结构的合理应用,我国颁布了 GB/T 51340—2018《核电站钢板混凝土结构技术标准》,标准适用于核电站钢板混凝土结构和构件的设计、施工和验收。

  在该标准中,核电站钢板混凝土结构构件包括双侧钢板混凝土剪力墙和单钢板混凝土楼板。其中,双侧钢板混凝土剪力墙的对拉体系可分为拉筋型、钢桁架型和隔板型三种,单钢板混凝土楼板可采用栓钉型和栓钉加劲肋组合型两种形式。标准一般适用于厚度 320~1600 mm,且曲率半径与墙体厚度比不小于 20 的钢板混凝土剪力墙,以及厚度不小于 150 mm的钢板混凝土楼板。

  在结构分析方法上,该标准规定应依照结构受力特点选择弹性分析方法、弹塑性分析方法和试验分析方法。正常使用界限状态和承载能力界限状态作用效应的分析可采用弹性分析方法,其中,对温度作用进行线弹性应力计算时,可考虑因混凝土开裂、徐变等因素引起的温度效应的衰减,或采用弹塑性分析方法计算温度效应的折减值。对特殊工况或受力复杂的结构区域,可采用弹塑性分析方法对结构总体或局部进行验算。对飞机撞击工况进行计算时可采用时程曲线法和实际飞机模型法。

  在结构构造方面,标准规定了钢板混凝土剪力墙单侧钢板含钢率和钢板厚度的适宜范围;规定了抗剪连接件的形式,抗剪连接件的间距与钢板厚度的相对关系,给出了单个栓钉抗拉、抗剪承载力的设计公式。

  在构件设计方面,标准给出了单位宽度钢板混凝土剪力墙的单轴抗拉承载力、考虑整体稳定性的抗压承载力、钢板对称布置条件下的平面外抗弯承载力、平面内和平面外抗剪承载力的计算公式;给出了单位宽度钢板混凝土剪力墙单元在面内剪力与单向轴力共同作用,以及面内剪力、轴力、面外弯矩共同作用的复合受力工况下的承载力计算公式。关于楼板设计,标准给出了正弯矩区单钢板混凝土板的正截面承载力和斜截面受剪承载力、正弯矩区单钢板混凝土板的刚度的计算公式;给出了单位宽度单钢板混凝土板单元在复杂平面内力作用下的承载力计算公式。

  钢板混凝土结构作为一种新型的组合结构及形式,具有组合结构及形式灵活,构造方式多样的特点。以下对规范中给出的和工程实践中不停地改进革新的构造方式来进行简要总结归纳。

  无论是单钢板混凝土组合结构还是双钢板混凝土组合结构,钢板与混凝土之间的连接构造,在施工和使用阶段都起到关键的作用。

  对于作为水平构件的单钢板混凝土组合板,其主要受力模式为弯矩和剪力,连接件起到承受钢板与混凝土之间的纵向剪力和竖向拉拔力的作用,这一点与钢-混凝土组合梁内抗剪连接件的受力状态类似。栓钉连接件是最普遍、最基本的连接件形式。但其主要起到局部连接作用,对增强钢板在施工阶段的稳定性以及组合板整体性效果较弱。所以,通常还会采用角钢或 T 钢等型钢连接件或开孔板连接件作为补充,可起到加劲肋的作用。栓钉、PBL 等常见连接件的抗剪承载力计算方式在规范[12-14]中均已有规定。但角钢、T 钢等型钢连接件尚需开展更多研究[15-16]。

  另一方面,在核电工程中,组合板或壳体还会承受较大的面外剪力或冲击力,必须增设拉筋等面外抗剪构造。拉筋类似钢筋混凝土结构中的箍筋,起到抗剪、约束混凝土、约束纵筋等效果。单侧钢板混凝土结构拉筋与钢板的连接是设计和施工一定要考虑的核心问题,采用传统焊接方式会导致现场焊接工作量过大,影响工期且质量也不易保证。为此,Tang 等[17]和 Wang 等[18]提出了拉筋与钢板通过栓钉搭接或 J 形栓钉钩接的非焊接方式(图 1),在不影响拉筋发挥受拉作用的前提下,省去了现场焊接,大幅简化施工。

  对于作为竖向构件的双钢板-混凝土组合墙,其连接构造除需传递钢板与混凝土界面的剪力外,还需要抵抗钢板向外屈曲引起的拉拔力,Yang 等[19]对不同连接件布置方式下钢板的屈曲性能和设计办法来进行了研究。规范中也给出了栓钉和对拉螺栓等连接件发挥抵抗钢板屈曲作用的距厚比限值规定。

  另一方面,还需要有对拉构造,以保证两侧钢板在运输和施工全套工艺流程中的整体性,防止钢板在混凝土浇筑过程中产生过大变形,同时也可有效提升结构的面外抗剪能力,对抵抗钢板屈曲也同样起到重要作用。

  核电厂结构上的布局通常较为复杂,部分应用钢板混凝土结构后,会出现钢板混凝土墙与钢筋(钢板)混凝土墙、钢板混凝土墙与钢筋混凝土筏板基础、钢板混凝土墙与钢筋混凝土楼板等连接需求。由于核电厂结构构件尺寸、内力和配筋率通常显著大于普通民用建筑,其构件之间的连接难度也更大。

  根据节点承载力的相对大小,美国规范 ANSI/AISC-N690[10]将节点分为完全强度连接节点(Full-Strength Connection)和超设计内力连接节点(Over-Strength Connection)。完全强度连接节点指节点设计强度大于相邻被连接构件中较弱构件的强度;超设计内力连接节点则指其强度只须大于考虑足够安全系数的荷载组合效应下的内力,且在超出节点设计内力后能够具有一定的变形和耗能能力。通常情况下,应按完全强度连接节点进行设计。这种方式能确保连接节点比连接部件中较弱的部件更强,因此当结构承受过大荷载时件将会发生延性破坏模式,钢板混凝土墙或其他构,而避免破坏发生在连接节点中。此时钢板混凝土墙或其他发生破坏的构件会对结构整体变形起控制作用,达到“强节点、弱构件”的设计目标。

  典型的钢板混凝土墙与钢板混凝土墙或钢筋混凝土墙的连接节点如图 2 所示。钢板混凝土墙与钢板混凝土墙连接,只需节点区域钢板通过焊接方式保持连续,并设置栓钉、灌注混凝土即可。钢板混凝土墙与钢筋混凝土墙连接,则须要将钢筋混凝土墙内水平纵筋锚入钢板混凝土墙内,并在混凝土与钢板接触面上设置栓钉。Seo 等[20-21]开展了钢板混凝土墙-墙 T 形边节点和 L 形角部节点抗剪性能测试,揭示了节点区域剪切破坏机理,并类比钢筋混凝土梁柱节点,提出了节点抗剪承载力设计方法。

  典型的钢板混凝土墙与钢筋混凝土楼板连接节点如图 3 所示。节点由钢板混凝土墙和在其两侧与其正交的不连续的钢筋混凝土楼板构成。楼板承受的荷载一定要通过节点传递至钢板混凝土墙。楼板内纵筋可直接插入墙内锚固,也可通过墙面焊接的钢筋连接器进行锚固。对于完全强度连接节点而言,楼板轴力、弯矩和剪力均可通过适当的机制可靠地传递给墙体。

  实际工程中,楼板配筋密集,上述节点构造存在施工困难、现场工作量大的问题,特别是当墙体与楼板内钢筋存在非正交情况时,施工将变得极其困难。高啓恩[22]基于钢筋与钢板搭接和超高性能混凝土材料(UHPC),提出了一种新型钢板混凝土墙与钢筋混凝土楼板的连接节点,如图 4 所示。其传力思想包括:

  1) 楼板上部纵筋与焊接有钢筋肋的钢板搭接,同时在纵筋上方设置U 形筋,以限制其在弯矩作用下向上翘起的趋势,U 形筋可通过钢板上开孔直接放置。

  2) 楼板下部纵筋与焊接有栓钉的钢板搭接,钢板位于楼板下表面,可充当模板,栓钉可起到防止钢板与 UHPC 竖向分离的作用。

  4) 墙体内部与搭接钢板对应位置出设置附加角钢,确保搭接钢板拉力传递至墙体。

  5) UHPC 范围与钢筋搭接长度保持一致,UHPC 与普通混凝土交界面设置附加 U 形钢筋,确保界面不分离。

  拟静力试验根据结果得出,节点抗震能力良好,呈现楼板混凝土区域的塑性铰破坏模式,UHPC 区域基本上没有损伤,搭接长度(即 UHPC 范围)仅须 10 倍纵筋直径。

  上述基于 UHPC 和钢筋-钢板搭接的连接设计思想,在如图 2 和图 5 所示的别的类型节点中也具有一定的参考和指导价值。

  典型的钢板混凝土墙与钢筋混凝土基础连接节点如图 5 所示。第 1 种直接将内外侧钢板伸入基础内,并通过钢板两侧焊接的栓钉进行锚固。第 2 种将钢面板焊接到水平端板上,伸入混凝土内部的定位钢筋则直接与端板焊接或通过钢筋连接器与端板连接,该方式已在 AP1000 等核电站中得到应用。第 3 种采用钢筋搭接连接,即在基础中布置插筋,利用插筋与钢板的搭接传力实现钢板与基础混凝土间的间接传力。为简化施工,尤其是避免钢板或钢筋与基础内钢筋的位置冲突,第 3 种方法更方便。

  Kong 等[23]对双钢板混凝土墙和钢筋混凝土基础之间的 8 个非接触搭接连接试件进行了单调拉伸加载试验,研究了搭接钢筋位置和拉筋布置的影响,并提出了设计建议。主要结论为:非接触式搭接连接可用作完全强度连接;拉筋能有效地防止劈裂破坏,对混凝土提供有效约束,并且最靠近基础表面的拉筋应变明显大于其他拉筋应变;为实现钢面板屈服的合理破坏模式,提出了关于拉筋、搭接钢筋和栓钉的设计建议,并且基于非线性应变分布推导出了拉筋的计算方式;建议采用正交方向的内部钢腹板作为一种拉筋替代形式,其具有更加好的力学性能和更方便的施工性能,并给出了内部钢腹板的计算方法。

  核电厂功能需求复杂,存在大量管线和设备,对结构上的布局、构件形式、材料类型等提出了很多特殊要求。

  钢板混凝土墙体往往要开设大量洞口,美国规范 ANSI/AISC-N690[10]对开洞的相关构造要求给出了规定,其所依据的主要是日本学者 Ozaki 等[24]开展的开洞钢板混凝土墙体的试验结果。总体上,关于开洞钢板混凝土墙体的设计计算和构造加强方式等,还缺少充分的试验依据,难以满足实际工程的需求。

  因结构布置和屏蔽需要,曲线及超厚钢板混凝土墙体也常出现,考虑到相关试验数据的匮乏,美国[10]和中国规范[12]都给出了墙体厚度、曲率半径与墙厚之比的适合使用的范围。对于曲率半径与截面厚度之比小于 20 的情况,须专门评估曲率对界面构造(钢板稳定性、拉筋构造等)和设计强度的影响。近年来,国内外学者已经开展了少量曲线],如 Wang 等[27]对 8 个双钢板-混凝土墙试件在恒定轴向压力和循环侧向力作用下进行了试验,研究曲率对面内和面外抗弯行为的影响,初步根据结果得出曲率影响不显著。总体上,对于考虑厚度和曲率影响的钢板-混凝土基本单元设计方法还须要更充分的研究。

  单侧钢板-混凝土结构作为安全壳穹顶拥有非常良好的优势和应用前景,然而穹顶为大跨度空间壳体结构,施工阶段钢壳的稳定性问题较为突出。如何利用拓扑优化等方法优化穹顶加劲肋构造,利用 UHPC 等新型材料减轻穹顶自重并减少施工阶段支撑等均是须要进一步解决的问题。

  由于核电厂局部区域(如水池)防腐需求及屏蔽要求,目前慢慢的开始在钢板-混凝土结构中应用不锈钢和赤铁矿混凝土等材料。

  刘红林[28]对不锈钢板-混凝土组合梁试件进行了抗弯性能测试,并结合有限元分析研究了钢板厚度、栓钉间距等因素的影响。张有佳等[29]针对核电厂钢板-赤铁矿混凝土结构可以进行了 9 个栓钉推出试验,研究栓钉的抗剪性能,并结合有限元分析结果对比了普通混凝土和赤铁矿混凝土中栓钉的破坏模式。于跃等[30]对 1 个钢板-赤铁矿混凝土墙与钢筋混凝土底板的连接构件做了轴心拉拔试验,研究赤铁矿混凝土中钢筋的锚固性能,提出了锚固长度的建议。总体上,新材料的应用对钢板-混凝土结构的构造和设计方法影响较小。

  由于核电厂存在大量管线和设施安装的需求,须要在钢板-混凝土墙体及楼板等构件上布置大量不一样和设计荷载的预埋件,且有时由于工艺设计的不确定性,在结构设计时甚至还不能完全确定预埋件的位置。这给钢板混凝土结构的设计带来了不小的麻烦。

  对于确定性的埋件目前采用锚筋加埋板后置于钢板混凝土结构的钢板表面,与整体的结构完全分开,如果埋件过于密集,会给自密实混凝土浇筑带来较大困难。对于后置埋件,目前的做法主要是在钢板混凝土墙体上开孔并后装锚固螺栓和锚固板,再进行连接牛腿的安装。这种做法施工不便,且可能对原结构造成损伤。

  事实上,对于轻型埋件,如果能利用钢板混凝土结构中原有的连接件(如栓钉、加劲肋、对拉构造等),直接将牛腿焊接在钢板外表面,将会极大简化埋件施工和设计。对于中型或重型埋件,如果事先能确定其位置范围,则在设计中可以加强该范围连接件密度和强度,从而一样能达到类似的效果。

  对于面内受力为主的钢板混凝土墙体,钢板与混凝土界面抗剪需求并不突出,栓钉连接件主要起到防止钢板屈曲的作用,以拉拔力为主。当连接件承担由埋件牛腿引起的附加拉力时,可能会产生不利作用。这一问题的实质是钢板混凝土承担轴压荷载时,如何计算单个和多个栓钉连接件的拉拔承载力。为此,作者所在课题组开展了轴压作用下钢板混凝土墙体栓钉拉拔试验研究(图 6),根据结果得出:在钢板压应力达到 0.5 倍钢材屈服强度时,轴压力对栓钉拉拔承载力有一定影响。栓钉在受拉过程中呈现典型的二阶段受力特征:第一阶段栓钉及其周边混凝土锥体承担拉力,在混凝土发生锥体破坏或者栓钉拉断后,承载力会降低,但在表面钢板表现出大变形下的膜效应后,承载力还能够继续上升,且第二阶段承载力明显高于第一阶段,但变形很大。因此仍建议采用第一阶段承载力作为设计承载力。试验结果初步表明钢板混凝土墙体栓钉可兼做轻型埋件使用,后续还须要开展更多研究以提出栓钉作为轻型埋件的承载力计算方法。

  核电钢板混凝土结构通常可采用两种设计方法,一种与常规建筑结构类似,基于构件做设计验算;另一种则是针对核电工程中都会存在的不便于简化成每一个构件的长墙等结构及形式,采用壳单元三维有限元模型做多元化的分析,基于单元内力进行设计验算。因此本节从构件层面和单元层面分别进行介绍。此外,还针对核电工程中特有的温度问题、冲击问题进行了论述。

  核电钢板混凝土结构构件层面的研究大致上可以分为面内和面外受力两部分。对于面外受力,通常以梁式单调加载试验为主,研究其面外弯曲和剪切性能,美国学者 Sener 等在系列研究中[31-33]通过总结相关试验数据,提出了双钢板混凝土组合结构的面外剪切(有拉筋和无拉筋)和弯曲承载力计算式。杨悦等[34]还开展了双钢板混凝土墙面外往复受力加载试验,研究了墙体面外抗震能力。国内近年来还开展了一批单钢板混凝土结构(有拉筋和无拉筋)面外弯曲和剪切受力性能测试[18,35-37]。

  对于面内受力,通常以墙体轴压加载试验和往复侧推试验为主,研究其面内轴压、弯曲和剪切性能[38-41]。这部分研究与高层建筑领域双钢板混凝土剪力墙的研究比较类似,可以互相借鉴。Seo 等[38]收集了相关试验数据,提出了双钢板混凝土墙面内剪切承载力计算方式。Wang 等[39]以高层建筑剪力墙为背景加强完善了带边缘构件双钢板混凝土墙剪切试验数据库,提出了考虑剪跨比和轴力影响的抗剪承载力计算公式。

  基于单元层面的研究能够更好地适应核工程中钢板混凝土结构应力设计法的需求,针对钢板混凝土单元层面的设计方法,美国 ANSI/AISCN690-18[10]、日本 JEAC 4618—2009[11]与我国 GB/T 51340—2018[12]中都有类似规定。美国规范主要基于 Varma 等[42]的研究,提出了一种用于计算钢板混凝土单元在面内两方向轴力和剪力、面外两方向弯矩和扭矩共同作用下的简化分析方法。该方法将组合截面在厚度方向划分为上下两层单钢板混凝土板,每层板只受面内膜力(Sx,Sy,Sxy)作用,而两层板各自截面合力所组成的力偶,形成面外弯矩和扭矩作用(Mx,My,Mxy),分解后的两层“板”可按如图 7 所示的偏于保守的平面应力包络关系进行验算,从而简化面内外耦合作用下的分析过程。

  日本规范[11]总结归纳了自 20 世纪 90 年代起日本学者所开展的钢板混凝土结构试验研究结果,采用允许应力法,提出了钢板混凝土结构在面内轴力、面内剪力和面内弯矩共同作用下的设计公式,但忽略了面外剪力对面内受力性能的影响。我国规范[12]则主要依据黄城均等[43-45]的试验结果和理论分析,黄城均等[43]提出了钢板混凝土单元平面内受力的极限分析模型,在考虑应力重分布的情况下,计算得到了单元极限承载力的包络关系。进一步考虑了混凝土的受压软化效应,对极限分析模型进行了优化[44],并与 9 个双轴拉压试验的结果[45]和 Ozaki 等[24]所进行的7个剪切单元试验结果进行了对比验证。在此基础上,提出了钢板混凝土单元在面内轴力、面内剪力和面外弯矩共同作用下的设计公式。

  为研究钢板混凝土结构在单元层面的受力性能,须采用专门的结构单元试验装置,而该类试验装置由于难度和代价较大,在全球范围内数量较少。总体上,现行设计规范对钢板混凝土结构(包括单钢板混凝土和双钢板混凝土)在单元层面的设计方法还缺乏足量的试验数据支撑。作者所在课题组[46]近年来研发了一套平面双向多功能加载装置

  ),可用于钢筋混凝土、超高性能混凝土、钢板混凝土等基本结构单元在面内任意荷载工况和加载路径下的受力行为测试,未来将针对实际工程设计需求,开展单钢板混凝土、双钢板混凝土、开洞钢板混凝土基本单元的面内加载试验,完善相关设计方法。

  在设计基准事故工况下,钢板混凝土结构将同时承受内部温度荷载和压力荷载以及遭遇外部设计基准事件的极端温度作用,须要进行热力耦合分析。与普通钢筋混凝土结构不同,钢板混凝土结构的钢板受到直接加热并快速升温,而内部的混凝土部分升温缓慢,不一样的区域钢板升温速率也不同,且栓钉会因约束钢板膨胀变形产生剪力,此外沿截面厚度方向的较大温差可能会引起混凝土开裂。Booth 等[47]通过开展双钢板混凝土梁在升温和弯矩共同作用下的试验研究了双钢板混凝土结构在事故工况下的热力耦合行为,并提出了热力耦合分析和设计方法。进行热力耦合分析时,通过纤维模型能够计算得到与试验结果一致的荷载-位移结果。将钢板混凝土截面离散为若干钢纤维与混凝土纤维,引入平截面假定并忽略纤维之间的滑移。每根纤维具有随气温变化的热力学特性和本构模型,纤维总应变等于热应变与受力应变之和。通过受力应变与本构模型得到纤维应力,从而在截面上求解力矩-曲率关系。在进行双钢板混凝土墙的事故工况设计时,由于混凝土严重开裂,墙的面外抗弯刚度可按两个钢面板部分的刚度 ESIS 考虑。双钢板混凝土墙的抗弯承载力可按式(1)保守估算。

  式中:AS 为受拉侧钢板面积;tsc 为双钢板-混凝土截面高度;tp 为钢面板厚度。

  在较低的温度下,混凝土尚未完全开裂,仍对抗弯刚度有贡献,则可根据统一的有效刚度方程式(2)计算温度影响下的弯曲刚度。

  式中:α 为与含钢率有关的折减系数;ECIC 为混凝土部分抗弯刚度;ΔTS 为气温变化(0~150°F)。

  目前关于钢板混凝土结构和构件的热力耦合分析研究还非常欠缺,对于事故工程下钢板混凝土结构的温度场预测、复杂温度场下构件的力学行为、复杂温度作用下钢板混凝土结构体系的受力分析等都值得进一步开展研究。

  在冲击作用下,钢板和混凝土的共同工作提升了结构整体的抗冲击性能。冲击侧背侧的钢板能预防混凝土剥离和飞甲,而混凝土可以有明显效果地约束钢板变形,提高钢板的抗屈曲能力。为实现钢板和混凝土的共同工作,一定要通过合理的构造措施,抑制钢-混凝土间的界面滑移和分离。冲击作用造成的结构破坏通常集中在撞击位置周边的局部范围内。对于单钢板混凝土组合板件(冲击侧为混凝土一侧)而言,随着入射弹体动能增大,结构的破坏模式一般可分为四种形态,依次为仅有迎击侧侵入、背侧钢板鼓曲、背侧钢板撕裂、弹体贯穿板件。目前对钢板混凝土单元板件抗冲击性能的研究主要关注连接件为普通栓钉的板件,包括刚性弹体撞击试验和可变形弹体撞击试验,如 Hashimoto 等的刚性弧顶弹体冲击试验和可变形弧顶空腔弹体冲击试验[48]、Kim 等的刚性弹体冲击试验[49]、Mizuno 等的缩比机身/引擎模型撞击试验[50]以及唐若洋的缩尺飞机引擎弹体撞击试验[51]。

  在结构体系层次,钢板混凝土结构的抗冲击性能分析主要是通过理论分析和数值模拟进行。对于飞机撞击问题,可利用 Riera 提出的刚性墙承受飞机撞击时的撞击荷载时程解析计算方式[52]。数值模拟则包括解耦方法和耦合方法。在解耦方法中,将飞机撞击刚性墙的撞击荷载时程施加至结构上进行数值模拟。耦合方法通过对飞机、建(构)筑物和土体等进行建模,模拟各部分之间的相互作用,适合使用的范围较广,是近年来的主流分析方法。Li 等的耦合撞击研究考察了不一样的土体与结构间的相互作用[53];韩鹏飞研究了结构阻尼和辅助厂房对撞击结果的影响[54];唐若洋对比了多种结构约束条件下安全壳结构耦合分析结果,并证明了单钢板混凝土安全壳结构工程应用的可行性[51]。

  在钢板混凝土结构抗冲击设计中,须要考虑冲击作用下的材料特性、荷载时程和荷载类型,并同时考虑结构整体响应和局部破坏。通过动载提高系数考虑材料强度提高。对于飞机撞击,可采用时程曲线法或考虑不同撞击速度、高度和角度的实际飞机模型法。在局部破坏计算中,目前普遍采用将混凝土与钢板受冲击过程分开考虑的抗冲击性能三步设计法。

  目前关于钢板混凝土结构件的抗冲击性能测试研究较多,但对于拉筋构造的研究还比较少,同时还缺少钢板混凝土结构特别是单侧钢板混凝土结构在飞射物作用下的贯穿深度、防止贯穿所需厚度等简化设计公式。

  本文对钢板混凝土结构在核电厂工程中的应用与研究现在的状况进行了综述,包括相关的结构设计规范情况、典型的结构构造形式、基础构件和单元力学性能及设计方法、特殊工况下(事故工况、大飞机撞击等)结构性能与设计方法。总体上,国内外已经开展了大量钢板混凝土在核电厂工程中的应用研究,形成了较为完整的规范体系。但在满足核电厂特殊功能需求和实现精细化设计与建造方面,任旧存在很多须要进一步研究的问题:1) 对各类型钢板混凝土基本单元的复杂静力性能的试验研究还比较欠缺,特别是工程中存在的曲面、超厚、开洞、穹顶等复杂情况。

  2) 对钢板混凝土结构在特殊工况下的研究还比较少,包括事故工况下的热力耦合分析、大飞机撞击下的动力性能、燃爆性能与设计方法等,特别是需要明确特殊工况下的设计条件。

  3) 核电厂工程功能需求复杂,设计条件苛刻,对钢板混凝土结构的形状、连接、预埋件布置等提出了诸多要求,亟须针对具体应用场景提出较为合理简单的构造方式,避免结构过于复杂,带来设计和施工方面的困难。

  4) 钢板混凝土结构施工存在钢模块加工安装和混凝土浇筑两个关键环节,而核电厂工程构件尺度较大、构造复杂,须要对模块加工精度、混凝土浇筑温度和模块变形控制、混凝土浇筑密实度和质量控制等关键建造技术开展深入研究,确保钢板混凝土结构的优越性能得到充分发挥。

  樊健生,丁然, 孙运轮.钢板混凝土结构在核电厂工程中的应用研究[J].工业建筑,2023,53(9):18-28.点击获取全文

  《工业建筑》(CN 11-2068/TU,ISSN 1000-8993)创刊于1964年,是一本由中冶建筑研究总院有限公司(原冶金工业部建筑研究总院)主办,《工业建筑》杂志社有限公司出版发行的国家级科技期刊。《工业建筑》报道方向涵盖了土木建筑领域的主要学科,包括建筑学、建筑结构、岩土工程与地基基础、建筑材料、建筑施工五大专业。报道方向始终围绕通过对新型建筑思想和理念,新材料、新结构、新工法的介绍,力求能在建筑技术方针政策和技术发展趋向上具有指导性,为生产建设中重大技术问题的解决提供帮助,以促进土木建筑领域的技术创新和进步。

  编委特刊 岳清瑞院士团队:基于“风险源-承灾体-减灾力”的“防-诊-治-应”城市安全技术体系编委特刊 李宏男教授团队:钢结构螺栓连接松动智能检测及监测技术的研究进展

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