核電工程鋼板混凝土結構抗震性能試驗與計算分析

張有佳

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

核電工程鋼板混凝土結構抗震性能試驗與計算分析

張有佳

（中國地震局工程力學研究所，哈爾濱150080）

鋼板混凝土結構作為一種新型結構，也作為模塊化施工的重要手段，已在核電工程建設中開始應用，核電工程的鋼板混凝土結構動力反應特性及抗震性能成為國內某核電工程結構設計施工中必須研究解決的關鍵技術。由于缺乏針對核電工程中鋼板混凝土結構設計的專門技術規范，許多國家的監管機構對核電工程中鋼板混凝土結構的設計依據提出質疑。本文以屏蔽廠房中的鋼板混凝土結構為研究對象，通過試驗研究、數值模擬和理論分析，研究了核電工程中鋼板混凝土結構在不同荷載作用下的受力特點、反應規律和抗震性能特征，并給出了一些可供實際工程應用的研究結果。研究工作為核電工程設計和編制核安全相關鋼板混凝土結構抗震設計規程提供參考和技術支持。主要工作如下：

（1）進行了4個核電工程中應用的典型鋼板混凝土組合墻軸壓試驗，試驗設計中主要考慮距厚比參數的不同。分析控制鋼板屈曲的關鍵因素，研究了鋼板的屈曲規律。分析了構件的破壞機理、荷載-位移曲線、鋼板的荷載-屈曲曲線。分析結果表明：鋼板的屈曲對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，鋼板的屈曲應變變大。在試驗分析的基礎上，給出了組合墻體的初始剛度和極限承載力的經驗公式，導出了適合鋼板彈性屈曲應變的理論公式。

（2）進行了3個應用于核電工程的鋼板混凝土墻體構件的低周往復擬靜力試驗。研究了距厚比、不同抗剪連接件的組合形式對組合墻體抗震性能的影響規律，分析了組合墻體的剛度退化、延性系數、滯回性能、耗能能力和破壞模式。基于試件關鍵部位的鋼板應變和混凝土應變試驗測量結果，分析關鍵部位的受力狀態。試驗結果表明：較小的距厚比能夠保證鋼板與混凝土的協同工作，避免鋼板出現局部屈曲；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梁交接處的混凝土被壓碎或拉壞為主要破壞形式，試驗表明：鋼板混凝土墻體具有很強的抗破壞能力，但鋼板混凝土與

鋼筋混凝土結構的交接處容易產生破壞，在實際工程中要保證鋼筋混凝土結構對鋼板混凝土結構有足夠的錨固強度。

（3）采用有限元軟件ABAQUS建立4個豎向軸壓鋼板混凝土試驗試件。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。采用實體單元模擬剪力抗剪連接件，對試驗試件的受力過程、變形過程、屈曲分析、極限承載力以及破壞形態進行了數值模擬，數值模擬結果與試驗結果符合較好，基于試驗和數值模擬結果，分析了試件的受力和破壞機理。

（4）采用有限元軟件ABAQUS對豎向軸壓鋼板混凝土試驗試件中的關鍵設計參數進行敏感性分析。選定混凝土強度、墻體鋼板含鋼量、鋼板強度和距厚比作為分析參數，對試件的極限承載力和荷載-位移曲線進行敏感性分析。分析結果表明：設計參數中，混凝土強度的影響程度要比鋼板強度和含鋼量的影響程度要大；混凝土強度的變化要比鋼板強度、含鋼量的變化和組合結構的荷載-位移曲線的影響要更復雜些。距厚比對試件的荷載-位移曲線影響較小，承載力幾乎沒有變化，但對鋼板的屈曲影響很大。

（5）采用有限元軟件ABAQUS對國內某核電核島結構進行建模，分析了結構動力特性。以設計反應譜為依據合成的人工地震動作為地震反應分析的結構基礎輸入地震動，進行時程分析。驗證了3個方向在設計地震動均為0.3g的情況下，核島結構抗震設計的安全性。通過調整輸入地震動的峰值加速度，得到不同峰值加速度下核島結構的地震響應，分析了鋼板混凝土組合結構中鋼板與混凝土各自的受力機理。計算表明：屏蔽廠房與輔助廠房的交接處容易產生應力集中，鋼板主要在該處產生屈服應力，并且屈服應力不會向中間部位的鋼板延伸。混凝土在與基礎連接處出現第三主壓應力，并且該處混凝土首先會出現被壓碎現象。在地震反應過程中，鋼板和混凝土出現了分離現象。核島結構關鍵點的樓層反應譜計算結果分析表明：當輸入地震動峰值加速度從0.3g到1.35g逐步加大時，樓板反應譜的形狀發生明顯的變化，峰值加速度對應的周期變大，說明結構剛度發生了明顯變化，樓層反應譜對應的節點峰值加速度值也相應變大。樓層反應譜對應的周期超過0.6s后，隨著輸入地震動的增加，反應譜對應的加速度均勻增加，對應段的反應譜出現平移效果。

關鍵詞核電工程鋼板混凝土；抗震性能；試驗研究；屈曲分析；ABAQUS；樓層反應譜

（作者電子信箱，張有佳：zhangyj274510@163.com）

中圖分類號：TU352.11；

文獻標識碼：A；doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.05.010