钢板混凝土模块平面外抗剪性能与数值模拟

褚濛，宋晓冰

（1.上海核工程研究设计院，上海200233；2.上海交通大学土木工程系，上海200240）

钢板混凝土模块平面外抗剪性能与数值模拟

褚濛1，宋晓冰2

（1.上海核工程研究设计院，上海200233；2.上海交通大学土木工程系，上海200240）

针对目前核电厂大型钢板混凝土结构模块的设计规范，以国内外钢板混凝土结构试验为基础，分析核电厂钢板混凝土结构实际破坏模式，比较相关各国规范。对我国核电厂钢板混凝土结构设计的实际操作提出建议。指出ACI349规范在目前的钢板混凝土结构平面外抗剪承载力设计中具有一定的保守性。并通过有限元方法对试验进行数值模拟。

核电厂；钢板混凝土；平面外抗剪承载力

上海市科学技术委员会资助项目（No.13DZ2250200）

0　引言

钢板混凝土（Steel Concrete，SC）结构模块技术广泛应用于我国三门、海阳的核电站中。由于采用外表面双钢板剪力墙的形式，可以大量减少现场混凝土模板工作量。钢板和混凝土通过栓钉连接形成组合结构，钢板之间通过对穿构件拉结。钢板混凝土结构采用工程预制与现场吊装的施工方法，可以大大缩短施工周期。在日本、韩国的核电站中钢板混凝土结构已被大量应用于局部区域。而像三门、海阳核岛结构中整体采用大型钢板混凝土模块还是首次。

目前针对大型结构模块的设计，世界上有日本规范JEAC-2009[1]和韩国KEPIC-SNG规范[2]。但是在大型SC结构模块中，大量采用四面围合的结构。这种结构无法直接套用规范中针对单一构件给出的公式。目前我国核电模块结构设计主要基于计算机数值模拟，同时参考美国混凝土协会的ACI-349规范[3]，以及日本电气协会核能标准委员会的《钢板混凝土结构抗震设计技术规程（JEAC 4618-2009）》[1]。

钢板混凝土结构的数值模拟是以试验当中观察到的破坏规律为基础的。笔者针对钢板混凝土结构进行了多个足尺实验研究，目的是研究钢板混凝土的破坏规律，比较各国规范的保守性。并通过试验和设计理论方面的研究[4~7]，为我国钢板混凝土规范编制提供依据。

1　SC平面外抗剪承载力的试验和计算分析

1.1实验研究概述

对于SC墙体平面外抗剪试验研究，目前国内外普遍采用梁弯剪试验进行，模拟墙体在单向传力模式下的剪切破坏过程。

试验中考虑的主要参数有剪跨比、钢板配钢率、抗剪钢配钢率和种类、轴向荷载、栓钉数量和间距、边界条件等。部分代表性试验包括：日本在上世纪90年代进行的18根梁试验[8]，剪跨比a=0.39~2.67；普度大学进行的8根梁试验[9]，其中5根无对穿抗剪钢筋，3根设置对穿钢筋，剪跨比a=2.5~5.5；笔者进行的一系列SC平面外抗剪试验[4]，剪跨比a=1.0~5.5。

1.2实验现象描述

（1）剪跨比2.5~3.5

典型的破坏模式如图2所示[9]。当剪跨比大于2.5时，临界斜裂缝与水平轴夹角一般不会小于26°，在临界斜裂缝下端，栓钉端部水平面，出现向支座发展的水平裂缝。无对穿钢筋时，临界斜裂缝一旦出现，即引起水平裂缝的快速开展，是明显的脆性破坏；如设置对穿钢，由于对穿钢筋限制了斜裂缝及水平裂缝的发展，构件呈现一定的塑性特征，且抗剪承载力也有所提高。

图1　核电厂钢板混凝土结构模块

图2　剪跨比3.2裂缝开展形式[9]

笔者进行的剪跨比为3.0的足尺试验发现，当采用大间距槽钢作为对穿钢抗剪时，槽钢虽然不能阻止斜裂缝的出现，但是会极强地限制槽钢附近斜裂缝的开展，甚至改变后继斜裂缝的走向。在槽钢间区域，裂缝集中在栓钉端部水平面附近（图3）。

（2）剪跨比1.0~2.0

笔者进行的一系列实验中[4]，典型的裂缝分布如图4所示。最先出现的裂缝为加载点下方附近截面的竖向弯曲裂缝；随着荷载增大剪跨段内出现弯剪斜裂缝（2号裂缝），从剪跨段中间位置的下方钢板处出现，向加载点发展，开裂范围随荷载增大逐渐向两端支座延伸；接近极限荷载时突然出现从支座贯通至加载点的临界剪切斜裂缝（3号裂缝），出现临界斜裂缝后剪跨比为1.5，未设置对穿槽钢的构件的承载力立即下降了一个台阶，而其他试件的承载力还有上升空间，直至支座外侧出现水平裂缝向支座上方延伸（4号裂缝），承载能力达到极限，随着位移的增大荷载开始缓慢下降。

图3　上海交大试验WS3.0

图4　深梁的典型裂缝开展模式

在传统的钢筋混凝土梁中，最终的剪切破坏一般是由剪切斜裂缝上方剪压区混凝土的压碎或拉裂引起的。与钢筋混凝土传统的剪切破坏模式不同，在钢板混凝土简支梁（λ≤2的情况下）中，连接支座与加载点的对角斜裂缝始终扮演临界斜裂缝的角色，达到极限状态时，临界斜裂缝迅速增宽，支座内侧附近一定范围内钢板向下挠曲，对应截面处临界斜裂缝下方的混凝土斜向压碎，形成图5中阴影部分所示的三角形破坏区域，以及虚线所示的变形模式。支座附近的受拉钢板局部塑性下沉，应变迅速增加，直接导致了构件的破坏。剪切破坏是由下部钢板在支座附近的屈服引起的，因此破坏具有较好的延性，这一破坏模式构成了钢筋混凝土构件与钢板混凝土构件剪切破坏的一个重要差别。在构造上，应对支撑处下三角区域内的栓钉设计及对拉钢筋设计时，应注意栓钉及对拉钢筋应有足够的抗拉承载力。

图5　剪切破坏形态示意图

1.3平面外抗剪计算机模型

（1）ACI349规程[3]

美国混凝土协会的ACI349规程针对用于核工程的钢筋混凝土结构提供了平面外抗剪承载力的计算公式[3]，采用混凝土抗剪项和箍筋抗剪项两项叠加的形式。

将ACI-349规程对混凝土抗剪承载力的规定换算成SI单位制时，混凝土抗剪承载力为（2）式，与日本钢筋混凝土规范中混凝土抗剪承载力相同。

对照日本钢筋混凝土规范简支构件剪切试验拟合得出的承载力下限值，具有50%的安全裕度，具体拟合方法详见图6，忽略了剪跨比对抗剪承载力的影响。图6为不含抗剪加强箍筋的钢筋混凝土构件剪切斜裂缝产生的荷载计算值与试验实测值的比较，可借此理解ACI349规范取值的依据。

由图中可以看出（3）式表示的是试验结果的大致平均值，当承载力系数取0.5时，（2）式可以包络试验的下限值。而对于不含箍筋的混凝土构件，一旦混凝土临界剪切斜裂缝产生立即贯通，构件丧失承载力。

图6　钢筋混凝土构件产生剪切裂缝的荷载试验值与计算值

（2）JEAC4618-2009规程[2]

日本电气协会核能标准委员会制定的JEAC4618-2009规范采用容许应力设计法，针对双层钢板内填混凝土组合结构，拉结钢筋（相当于箍筋）作为抗剪加强筋提供平面外抗剪加强作用。规程对SC结构平面外抗剪承载力的规定分为短期和长期，短期承载力由试验测试结果拟合和理论推导得出，长期容许承载力在短期承载力的基础上增加了安全系数。

JEAC4618-2009抗剪承载力公式将构件的剪切破坏划分为混凝土的破坏和抗剪加强筋的屈服。当抗剪加强筋的作用小于混凝土本身的抗剪承载力时，破坏由混凝土斜截面开裂和桁架-拱形受力机制上的混凝土斜向压碎控制；当抗剪加强筋的作用大于混凝土的抗剪承载力，破坏由抗剪加强筋屈服和桁架-拱形受力机制上的混凝土斜向压碎控制。但由于JEAC4618-2009中短期抗剪承载力具有1.5左右的安全系数[1]，适合于狭义剪跨比（集中荷载作用点到支座边缘的最小距离a与截面有效高度h0之比）大于2.5的构件。

表1　平面外抗剪承载力计算与试验结果对比（承载力单位：kN）

但由于梁的平面外抗剪作用机制中，桁架作用和拱作用需要变形协调，而日本规范仅对两者之和乘以0.85的系数方式处理，所以会出现公式偏不保守的情况。

（3）拉压杆节点破坏模型[4]

针对狭义剪跨比在2以下的SC构件，参考文献[4]中的拉压杆节点破坏模型提供了比较精确的计算方法。该模型以拉压杆模型的传力机制为基础建立平衡关系，根据试验中观察到的拉压杆节点区域的破坏模式（图5），建立了节点区破坏模型。如果说JEAC4618-2009规程中的桁架-拱形受力模型考虑的拉压杆模型中斜压杆对抗剪承载力的贡献，拉压杆节点破坏模型考虑的则是节点的有效传力能力。由于节点区破坏主要发生在小剪跨比情况，因此，该模型为小剪跨比情况下抗剪承载力计算提供了较为精确的计算方法。

（4）试验值与计算值的对比

针对试验[5~6]，采用以上模型进行计算，计算结果见表1。可见，拉压杆节点破坏模型的计算精度最高，ACI349作为核相关混凝土结构设计规范应用于钢板混凝土结构的平面外抗剪有较高的保守性。

2　数值模拟

数值模拟必须与试验中出现的破坏模式相一致。结合对各国规范的理解可判断结果的正确性。例如，针对笔者完成的剪跨比为3.0的试验，应用ABAQUS进行有限元模拟，如图7。混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》GB50010-2010建议的分段式曲线。钢板、型钢均为各向同性的理想弹塑性材料。可以较好地模拟构件加载过程和破坏模式。

图7　剪跨比为3.0的试验数值模拟

3　结语

本文总结了钢板混凝土结构在平面外各种状态下的试验和理论研究成果，对比了ACI-349规程、JEAC 4618-2009规程、KEPIC-SNG规程中计算公式以及一些近期研究成果的异同，并将计算结果与相关试验结果进行了对比。

ACI349作为核相关混凝土结构设计规范在目前的钢板混凝土结构设计中具有一定的保守性。

针对钢板混凝土平面外抗剪设计，应注意在支撑位置或加载点周围3倍厚度的区域内，加强栓钉和对拉钢筋的抗拉设计。保证构件完整的传力路径。

针对小剪跨比的构件，拉压杆模型物理意义明确，具备较好的计算精度。

由于钢板混凝土结构特殊性，平面外抗剪计算公式在兼顾保守性与物理意义方面还有待提高。尤其是大剪跨比时，还需要进行更多的实验和理论研究。

[1]JEAC 4618-2009.Seismic Design of Steel Plate Concrete Technical Regulations[S].Tokyo:Japan Electric Association,2009

[2]Steel-Concrete Structures（KEPIC-SNG）Korea Electric Power Industry Code[S].Korea:Korea Electric Association（KEA）,2010

[3]ACI 349 Code Requirements for Nuclear Safety-Related Concrete Structures and Commentary[S].America:American Concrete Institute,2001

[4]LENG Yu-bing,SONG Xiao-bing,CHU Meng,GE Hong-hui.Experimental Study and Theoretical Analysis of Resistance of Steel-Concrete-Steel Sandwich Beams[J].Journal of Structural Engineering,2014,141（2）,0401-4113

[5]SONG Xiao-bing,CHU Meng,GE Hong-hui,WANG Han-lin.The Failure Criterion for Steel-Concrete Composite Walls[C].The International Conference on Sustainable Development of Critical Infrastructure.ASCE,Shanghai,China,2014

[6]CHU Meng,SONG Xiao-bing,GE Hong-hui.Structural Performance of Steel-Concrete-Steel Sandwich Composite Beamswith Channel Steel Connectors[C].The 22nd Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology.San Francisco,California,USA.Division IX Div-IX,2013

[7]冷予冰，宋晓冰，葛洪辉，褚濛.钢板-混凝土组合墙体结构平面外抗剪承载力试验研究[J].建筑结构，2013,43（22）:15-21

[8]TakeuchiM,Fujita F,Funakoshi A,et al.Experimental Study on Steel Plate Reinforced Concrete Structure,Part 28 Response of SC Members Subjected to Out-of-Plane Load[C].Proceedings of the Annual Conference of Architectural Institute of Japan.1999:1037-1038

[9]Kadir C.Sener,Varma A H,Sanjeev R.Malushte,and Keith Coogler.Experimental Database of SC Composite Specimens Tested under Out-of-Plane Shear Loading[C].The 22nd Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology.San Francisco,California,USA. 2013

Nuclear Power Plant;Steel Concrete;Out Plane Shear Capacity

Out Plane Shear Capacity and Numerical Simulation of Steel Concrete Structure Module of Nuclear Power Plant

CHUMeng1，SONG Xiao-bing2

（1.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute,Shanghai 200233；2.Departmentof Civil Engineer,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240）

Focuses on the current design of steel concrete structuremodules of nuclear power plant,steel and concrete structure at home and abroad are based on the experiment,the out plane shear failuremechanism is investigated in several test.Puts forward some recommendation on Chinese design code.Points out that ACI349 code equation is conservative on out of plane shear capacity.Numerical simulations are preformed based on the failuremechanism.

1007-1423（2015）16-0003-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.16.001

褚濛（1981-），男，吉林长春人，工程师，硕士研究生，研究方向为核电厂抗震设计

宋晓冰（1968-），男，山东人，博士，副教授，研究方向为钢与混凝土组合结构

2015-05-04

2015-05-26