核电工程钢板混凝土结构抗震性能试验与计算分析

【摘要】钢板混凝土结构作为一种新型结构，也作为模块化施工的重要手段，已在核电工程建设中开始应用，核电工程的钢板混凝土结构动力反应特性及抗震性能成为国内某核电工程结构设计施工中必须研究解决的关键技术。由于缺乏针对核电工程中钢板混凝土结构设计的专门技术规范，许多国家的监管机构对核电工程中钢板混凝土结构的设计依据提出质疑。本文以屏蔽厂房中的钢板混凝土结构为研究对象，通过试验研究、数值模拟和理论分析，研究了核电工程中钢板混凝土结构在不同荷载作用下的受力特点、反应规律和抗震性能特征，并给出了一些可供实际工程应用的研究结果。研究工作为核电工程设计和编制核安全相关钢板混凝土结构抗震设计规程提供参考和技术支持。本文的主要工作如下：（1）进行了4个核电工程中应用的典型钢板混凝土组合墙轴压的试验，试验设计中主要考虑距厚比参数的不同。分析控制钢板屈曲的关键因素，研究了钢板的屈曲规律。分析了构件的破坏机理、荷载-位移曲线、钢板的荷载-屈曲曲线。分析结果表明：钢板的屈曲对试件整体刚度影响不明显，栓钉能有效地保证钢板和混凝土协同工作；随着距厚比变小，试件极限承载力有所提高，钢板的屈曲应变变大。在试验分析基础上，给出了组合墙体的初始刚度和极限承载力的经验公式，导出了适合钢板弹性屈曲应变的理论公式。（2）进行了3个应用于核电工程的钢板混凝土墙体构件低周往复拟静力试验。研究了距厚比、不同抗剪连接件的组合形式对组合墙体抗震性能的影响规律，分析了组合墙体的刚度退化、延性系数、滞回性能、耗能能力和破坏模式。基于试件关键部位的钢板应变和混凝土应变试验测量结果，分析关键部位的受力状态。试验结果表明：较小的距厚比能够保证钢板与混凝土的协同工作，避免钢板出现局部屈曲；加劲肋作为抗剪连接件可以有效提高墙体整体刚度、承载能力、延性和耗能能力。试件最终以墙体与基础梁交接处的混凝土被压碎或拉坏为主要破坏形式，表明：钢板混凝土墙体具有很强的抗破坏能力，但钢板混凝土与钢筋混凝土结构的交接处容易产生破坏，在实际工程中要保证钢筋混凝土结构对钢板混凝土结构有足够的锚固强度。（3）采用有限元软件ABAQUS建立4个竖向轴压钢板混凝土试验试件。模型考虑了材料非线性、几何非线性和接触非线性等因的影响。采用实体单元模拟剪力抗剪连接件，对试验试件的受力过程、变形过程、屈曲分析、极限承载力以及破坏形态进了数值模拟，数值模拟结果与试验结果符合较好，基于试验和数值模拟结果，分析了试件的受力和破坏机理。（4）采用有限元软件ABAQUS对竖向轴压钢板混凝土试验试件中的关键设计参数进行敏感性分析。选定混凝土强度、墙体钢板含钢量、钢板强度和距厚比作为分析参数，对试件的极限承载力和荷载-位移曲线进行敏感性分析。分析结果表明：设计参数中，混凝土强度的影响程度要比钢板强度和含钢量的影响程度要大；混凝土强度的变化要比钢板强度和含钢量的变化，对组合结构的荷载-位移曲线影响要更复杂些。距厚比对试件的荷载-位移曲线影响较小，承载力几乎没有变化，但对钢板的屈曲影响很大。（5）采用有限元软件ABAQUS对国内某核电核岛结构进行建模，分析了结构动力特性。以设计反应谱为依据合成的人工地震动作为地震反应分析的结构基础输入地震动，进行时程分析。验证了三个方向的设计地震动均为0.3g的情况下，核岛结构抗震设计的安全性。通过调整输入地震动的峰值加速度，得到不同峰值加速度下核岛结构的地震响应，分析了钢板混凝土组合结构中钢板与混凝土各自的受力机理。计算表明：屏蔽厂房与辅助厂房的交接处容易产生应力集中，钢板主要在该处产生屈服应力，并且屈服应力不会向中间部位的钢板延伸。混凝土在与基础连接处出现第三主压应力，并且该处混凝土首先会出现被压碎现象。在地震反应过程中，钢板和混凝土出现了分离的现象。核岛结构关键点的楼层反应谱计算结果分析表明：当输入地震动峰值加速度为0.3g至1.35g逐步加大时，楼板反应谱的形状发生明显的变化，峰值加速度对应的周期变大，说明结构的刚度发生了明显的变化，楼层反应谱对应的节点峰值加速度值也相应变大。楼层反应谱对应的周期超过0.6s后，随着输入地震动的增加，反应谱对应的加速度均匀增加，对应段的反应谱出现平移的效果。
【作者】张有佳；
【导师】李小军；
【作者基本信息】中国地震局工程力学研究所，结构工程，2014，博士
【关键词】核电工程钢板混凝土；抗震性能；试验研究；屈曲分析；ABAQUS；楼层反应谱；

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