钢板混凝土与钢筋混凝土抗冲击性能的比较

赵 耀 云

(陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)

0 引言

20世纪中期以来，核能作为高效清洁的能源快速发展。截至2017年10月12日，全球已投产核电机组448座，在建核电机组数55座[1]。2009年，美国国家核能管理委员会(Nuclear Regulatory Commission，NRC)要求新建核电站的设计标准必须满足抵御大型商用客机的撞击[2]。国内于2016年颁布HAF 102—2016《核动力厂设计安全规定》首次规定核电厂设计必须考虑商用客机的恶意撞击[3]。

目前的核电站主要存在两种结构形式，一种是钢筋混凝土(RC)结构，如“华龙一号”核电站；另外一种是钢板混凝土结构(SC)，如AP1000核电站。针对以上两种不同的结构形式，以往的学者也进行了相关的撞击分析。2005年，Kobori研究中心[4]对钢板混凝土板(SC)和钢筋混凝土板(RC)在模型飞机撞击作用下的反应进行了试验，比较了在1/7.5飞机模型撞击作用下SC结构和RC结构的不同反应。

本文针对以上两种的不同结构形式，通过LS-DYNA进行数值模拟分析，比较了钢板混凝土与钢筋混凝土局部损伤破坏效应和整体破坏效应的差异性，为相关工程设计提供参考。

1 模型设置

1.1 有限元模型

对于局部破坏效应分析，建立了10 m×10 m×1 m的混凝土靶板，初始的钢筋间距为200 mm，直径为15 mm，混凝土采用Solid实体单元，钢筋采用Beam梁单元进行计算，混凝土Solid单元和钢筋Beam单元的尺寸为250 mm，靶板在四边进行固支，以考虑周围结构的约束；建立的飞射物模型为变形圆形钢管，长度为5 m，直径为1 m，壁厚为10 mm，钢管Shell单元的尺寸为100 mm，有限元模型如图1所示。为达到较为明显的撞击损伤破坏效果，撞击速度设置为200 m/s。

对于整体破坏效应分析，建立了简化飞机模型撞击直径44 m，壳体厚度为1.5 m的混凝土壳体，以模拟飞机撞击核电站。壳体共有三种结构形式：1)双层配筋；2)双层钢板含拉筋；3)双层钢板不含拉筋。钢板与钢筋总质量保持一致。飞机的撞击速度为100 m/s。模型示意图如图2所示。

1.2 材料参数及接触设置

混凝土材料所用模型为CSCM[5](MAT#159)，CSCM模型是美国联邦公路局(FHWA)针对汽车碰撞作用下高架桥墩防护研究开发的，通过相乘的方式，实现了硬化压实面(帽盖)和剪切破坏面的连续。该模型参数输入简单，且考虑了混凝土的应变率效应，模型参数如表1所示。钢板和钢筋所用材料模型为塑性随动硬化模型(MAT-PLASTIC-KINEMATIC)，该模型考虑了应变率强化效应，模型参数如表2所示。

钢板与混凝土之间通过共节点的方式进行连接，钢筋与混凝土单元间采用拉格朗日耦合约束(CONSTRAINED-LAGRANGE-IN-SOLID)，该方式考虑了钢筋混凝土间的摩擦滑移作用，使得钢筋与混凝土共同受力。弹体与靶板的接触方式为自动点面接触(CONTACT-AUTOMATIC-NODES-TO-SURFACE)和侵蚀点面接触(CONTACT-ERODING-NODES-TO-SURFACE)。

表1 混凝土材料参数

表2 钢板及钢筋材料参数

2 局部破坏效应比较

设置的不同工况及靶板背面的最大挠度如表3所示，当钢筋间距达到极限时，可以等效认为是钢板。从表3中可以看出，不同钢筋间距下靶板的撞击挠度接近，表明钢筋间距对于靶板的抗冲击性能影响较小；侵蚀点面接触下靶板所产生的撞击挠度略微大于自动点面接触下靶板所产生的撞击挠度；钢板混凝土靶板在冲击下所产生的挠度要小于钢筋混凝土靶板，表明在局部破坏效应下，钢板混凝土靶板的抗冲击性能要略微强于钢筋混凝土靶板。

表3 不同工况下的模拟结果对比

3 整体破坏效应比较

3.1 撞击过程

图3给出了钢筋混凝土壳体在飞机撞击下不同时刻的示意图。0.1 s时，飞机机头部分与壳体碰撞，飞机机头前部发生压屈破坏，此时飞机机身机翼和机尾没有变形，仍然以既定的方向向前飞行；0.2 s时，飞机机身中部与壳体发生碰撞机翼与机身连接的地方也发生压屈破坏，飞机所携带的油箱破裂致使燃油抛洒而出；0.3 s时，飞机机身与机翼连接的部位全部破坏，机翼与机身分离，两侧机翼在惯性的作用下仍然与筒身接触并发生偏转现象；0.4 s时，飞机机翼偏转角度继续加大，同时燃油分子在惯性作用下继续运动，抛洒面积进一步扩大；0.5 s时飞机机尾残余速度降为0，飞机机翼此时绕着筒身达到最大偏转角度，同时燃油抛洒面积最大。

3.2 结果分析

图4给出了不同结构形式的壳体在飞机撞击下所产生的最大挠度。从图4中可以看出，双层钢板不含拉筋混凝土壳体产生的挠度最大，最大挠度达到3.18 m。双层钢板含拉筋混凝土壳体与钢筋混凝土壳体在飞机撞击下的挠度接近，钢筋混凝土壳体的撞击挠度要略微大于钢板(含拉筋)混凝土壳体的撞击挠度。从图4中可以看出，在包含拉筋的情况下，钢板混凝土壳体的抗冲击性能要略微优于钢筋混凝土，不包含拉筋的情况下，钢板混凝土壳体的抗冲击性能要远低于钢筋混凝土。

4 结语

本文对钢板混凝土和钢筋混凝土的抗冲击性能进行了局部破坏效应和整体损伤效应进行了对比。同时对钢板混凝土中拉筋对靶板抗冲击性能的影响进行了分析。结果表明：

1)无论是整体破坏效应还是局部破坏效应，钢板混凝土的抗冲击性能要略微优于钢筋混凝土。

2)拉筋在钢板混凝土中起到连接钢板的作用，对于抗冲击性能的提升十分明显。