钢板混凝土模块平面外抗弯设计研究.pdf

低温建筑技术 2 0 1 5年第 7期 ( 总第 2 0 5期) OOI ： 1 0 1 3 9 0 5 j e n k i d w j z 2 0 1 5 0 7 0 1 2 钢 板混凝土模块 平面外抗弯设计研 究 褚潆 ， ( 1 上海 核工程研 究设计 院， 上海2 0 0 2 3 3； 宋晓冰 2 上海交通 大学土木工程系 。 上海2 0 0 2 4 0 l 【 摘要】 文中针对 目前核电厂钢板混凝土结构的设计规范， 以国内外钢板混凝土结构试验为基础 ， 对比分 析了几种钢板混凝土受弯承载力计算模型， 对我国核电厂钢板混凝土结构设计的实际操作提出了建议。指出 A C I 3 4 9规范在l fl 前的钢板混凝土结构平面外抗弯承载力设计中具有一定的保守性。 【 关键词】 核电厂； 钢板混凝土； 抗弯承载力 【 中图分类号】 T U 3 7 5 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 7- 0 0 3 0 0 3 在我 国三 门、 海 阳的核 电站 中大量采 用钢 板混凝 土( 简称 s c ) 结构模块技术。这种结构模块多采用外 表 面双钢板剪力 墙 的形式 ， 钢板通 过焊接 的栓 钉与 混 凝土组合在一起。施工顺序为： 在工厂将外侧的两片 钢板通过中间的槽钢桁架连接( 如图 1 ) 形成预制模 块 ， 然后被运输至施工现场， 以模块为单元吊装后拼装 就位 ， 最后在模块 内部浇 筑混凝 土形成 钢板混 凝 土剪 力墙。由于外侧钢板既发挥受力钢筋的作用又兼作模 板 ， 可以大量减少现场混凝土模板工作量， 缩短施工周 期 。因此在 日本 、 韩 国的核 电站 中曾广泛采 用钢 板混 凝土结构， 在水池等区域使用钢板混凝土剪力墙作为 局部墙体构件， 应用效果良好。 图1 核电厂钢板混凝土结构模块( m m) 目前世界 上单 独 针对 钢板 混凝 土结 构 的规范 有 E t 本 J E A C 4 6 1 8和韩 国 K E P I C S N G规 范。我 国针对 这一类型钢板混凝 土结构设 计规范 也正在 编 制 当中。 由于用钢板代替钢 筋 ， 在设 计过程 中钢板 混凝 土结构 与普通混凝土结构有很多相似之处。目前我国核电工 程设计 主 要 参 考 美 国 混 凝 土 协 会 的 A C I一3 4 9规 范 ， 以及 日本 电气 协 会 核 能 标 准 委 员 会 的 J E A C 4 6 1 8 2 0 0 9 ( 钢板混凝土结构抗震设计技术规程 。 韩国电力工业的核电站钢板混凝土结构模块化技术 标准 ( K E P I C S r q G ) p 也 已经完 成了 2 0 1 0版 的修订 。 作者针对钢板混凝土结构进行 了足尺实验研究， 目的是研究钢板混 凝土 的破坏模 式 ， 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 ， 为我 国规范编制提供依据。 1 核 电站 S C结构体 系设计 的特点 与民用建筑 相 比， 核 电站结 构具有 以下 两点 明显 差别 ： 核电站设计时要具备抵抗万年一遇的安全停 堆地震( S S E ) 的能力并要求结构构件能够执行相应的 功能， 所以美国最新版核电厂抗震规范 A S C F A 30 5 要求大型商用核电站结构在设计时要在地震荷载工 况时仍保持弹性状态； 核电站 s c结构应力状况复 杂， s c墙体多为四周围合的结构。所以墙体不仅要承 受平面内内力( 薄膜内力) ， 还要承受墙体边界处或主 要设备支撑处的平面外弯剪内力 以及更为复杂的扭 转 内力 。以上结构体系 的设计 特点赋予其独特的设计 思路和设计方法。同时由于 s c墙体钢板与混凝土通 过栓钉形成组合截 面 ， 与普 通钢筋 混凝 土的受 力特 征 很相似 ， 但 又略有不 同。 2 s c平面外抗弯承载力的试验和计算分析 2 1 对称配筋情况的计算模型 s c构件平面外抗弯承载力的计算与对称配筋 的 钢筋混凝土截面的抗弯承载力计算相似， 不同之处在 于 s C构件的钢板位于截面最外侧。当截面曲率很大 时 ， 可以达 到所有 压力均 由受压 侧钢板 承受 的极 限状 态 。但 是 ， 如果控 制截面 曲率 以保 证构 件不 出现 过大 变形 ， 从 平衡 的角度考虑 ， 则极 限状态下 只要混 凝土对 受压有贡献， 受压侧钢板就不可能受压屈服。抗弯承 基金项目 本项目研究工作得到了上海市科学技术委员会的资助， 资助课题编号为 1 3 D Z 2 2 5 0 2 0 0 。 褚漾等 ： 钢板混凝土模块平面外抗弯设计研究 3 1 载力必然比仅仅考虑钢板抗弯的偏低。现有的计算模 型包括 13本规范 J E A C 4 6 1 8 2 0 0 9的模型 ， 美国 S e n e r 等的模型 ， 韩国 s c设计规范 K E P I CS N G的模 型 。 以下分别介绍之 。 ( 1 ) 日本 J E A C 4 6 1 82 0 0 9规范 的模 型 。 中 提供的 s c平面外抗弯承载力计算模型相对简洁 ， 取 钢板贡献乘以0 8 7 5倍的截面高度作为力臂 ： 1 = A l F l ( 1 ) 6 式 中 ， A 。 为单 侧 钢板 的截 面 积 ， F ， p l 为钢 板 的屈 服强度 ， 为构件截面高度。 ( 2 ) 美 国 A C一1 3 4 9规 范 的规定 。关 于抗 弯承 载力的公式可以根据主要基本假设推出： 平截面假 定 ； 混凝土最大压应变 0 0 0 3 ； 混凝土压应力假定 为在一定高度内以 0 8 5 o 均匀分布。按照双筋截面 计算承载力。 ( 3 ) 美 国 S e n e r 等 的模 型。假 设 混凝 土 的应 变分布为边缘压应变等于钢板屈服应变( 2 0 0 0 Ix 8 ) 的 三角形分布 ， 建立计算模 型 ： M = A F _pJ( T t p ) 一 b c ( + 每 ) n t p ( 2 ) ( 3 ) 式中， c 。 为混凝土受压三角形应力块的高度 ； f 。 为 钢板厚度 ； b为构件截面宽度； n为钢板与混凝土之间 的弹性模量 比。 此模型关 键 在 于混凝 土 受压 三 角形 应 力块 的高 度 C 的计算 ， 由其计 算公式 知 道 ， c 的计 算 有几个 假 定： 混凝土边缘应变为钢板屈服压应变 2 0 0 0 z 6 ， 混凝 土边缘应 力为 ， 混 凝 土应力 分 布为三 角形 ， 上部 钢 板未屈服 。 然 而 ， 这几 个假定之 间存 在矛盾 。 实 际上 压 区混凝土达不到 ， 因为一旦达到， 则上部钢板屈服， 混凝土就无法参与平衡。 规范之所 以取混凝土边缘应 力为 ， 是因为一个平衡方程无法求解出上部钢板压 应力和压 区混凝土边 缘压应 力这 两个未 知数 ， 而进 行 的强假定 。 然而 ， 这个假定直接 导致 考虑混凝土贡献 的 公式计算值 偏大 。 另外 ， 由 c 计算 公 式可 知 ， 取 决 于( 州 f o 一1 1 , )的大小 ， 由于模型中提供 的混凝土弹 性 E 近似与0 5 应力水平相对应， 使得模量比 值 偏小， 避免了( n )出现零或负值的情况 ， 但是 这种表达不够严谨。 对于非对称配筋情况 ， 2 0 0 0微应 变的基本假定与 A C I 规范中规定的 3 0 0 0微应变假定 相差甚远 。 ( 4 ) K E P I CS N G 的模 型 。韩 国规范公 式 考 虑受压侧钢板局部 受压失 稳 ， 同时考虑加 劲肋 对抗 弯 承载力的贡献 ： M =F 。 A l ( 一t )+( F 1 一F ) A p l ( 一1 5 t p F 0 5 t 赫) m A d ( 4 ) F ： 1 50 0 4 3 一9 0 F p lF D 】 ) ， 相 当于 J E - A C 4 6 1 8 2 0 0 9 模型考虑加劲肋且不折减的结果。 美 国 A C I 3 4 9规范应用于钢板混凝土结构平 面 外抗弯 时， 当不考虑加劲肋 贡献时 ， 与 日本规 范公 式形式非常类似。两者都是基于平截面假定进行 推导 。同时 ， A C I 公式不考虑加劲肋贡献时与本次 实验值相比较保守， 考虑加劲肋则与实验值接近。 2 4 非对称配筋情况 对于非对称配筋情况 ， 目前 尚无针对 s c构件 的计算公式 ， 为满足平衡条件 ， 在极 限状态下受压 区必然有混凝土参与受压， 因此， 可以采用钢筋混 凝土规范的计算方法 ， 取钢筋形心至混凝土边缘的 距离为零进行计算。 3结语 文中总结对 比了 A C I 一3 4 9规程 、 J E A C 4 6 1 8 2 0 0 9规程、 K E P I CS N G规程 中关于钢板混凝土构 件抗弯承载力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。 ( 1 ) A C I 3 4 9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 ， 其抗弯公式具有一定的精确度和保 守性 。建 议在设计时采用 。 ( 2 ) 韩国 K E P I C S N G规范在抗弯设计时分 别考虑了加肋的贡献 、 混凝土收缩徐变的影响。精 确计算时可作为计算参考。 参考文献 1 AC I 3 4 9 C o d e r e q u i r e me n t s f o r n u c le a r s a f e t yrel a t e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s a n d c o mm e n t a r y S Am e r i c a ：A me ri c a n C o n c ret e I n s t i t u t e，2 0 01 2 J E A C 4 6 1 82 0 0 9， S e i s mi c d e s i g n o f s t e e l p l a t e c o n c r e t e t e c h n i c a l r e g u l a t i o n s S 】 T o k y o ： J a p a n E l e c t r i c A s s o c i a t i o n ， 2 0 0 9 3 S t e e l c o n c ret e s t r u c t u res( K E P I CS N G)Ko rea E l e c t r i c P o w e r I n d u s t r y C o d e S K o r e a ：K o r e a E l e c t r i c A s s o c i a t i o n( K E A) ， 2 01 0 4 L E N G Y u B i n g ， S O N G X i a o B in g ， C H U M e n g， G E H o n g H u i E x p e rime n t a l S t u d y an d T he o r e t i c a l An a l y s i s o f Re s i s t a n c e o f S t e e l C o n c ret e S t e e l S and w i c h B e a ms J J o u rna l o f S t r u c t u r a l E n - g i n e e r i n g ， 2 0 1 4 ，1 4 1 ( 2 ) ， 0 4 0 1 4 1 1 3 5 S O N G X i a o B i n g ， C U H Me n g ， G E H o n g Hu i ， HanL i n Wang T h e f a i l u r e c ri t e ri o n for s t e e l c o n c ret e c o m p o s i t e w a l l s C T h e I n t e ma t i o n a l C o n f e ren c e o n S u s t a i n a b l e De v e l o p me n t o f C rit i c al I n f r a s t r u c t u r e AS CE，S h an g h ai，Ch i n a，2 01 4 6 M e n g C h u ，X i a o B i n g S o n g ，H o n g h u i G e S t r u c t u r a l p e rf o r m a n c e o f s t e e l c o n c ret e - s t e e l s an d m c h c o mp o s i t e b e am s wi t h c h a n n e l s t e e l c o n n e c t o r s c The 2 2 n d C o n f e r e n c e o n S t r u c t u r a l M e - c h an i c s i n Re a c t o r Te c h n o l o g y S a n F r an c i s c o ，Californ i a ，US A Di v i s i o n I X Di vI X，2 01 3 7 冷予冰， 宋晓冰， 葛洪辉， 褚漾 钢板 一 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 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 2 2 )： l 521 8 K a d i r C S e n e r ，V a r ma A H，S a n j e e v R Ma l u s h t e ，K e i t h Co o g l e r Ex p e r i me n t a l d a t a b a s e o f S C c o mp o s i t e s p e c ime n s t e s t e d u n d e r o u t o f p l ane s h e a r l o a d i n g C T h e 2 2 ri d C o nfe ren c e o n S t r u c t u r al Me c h an i c s i n Re a c t o r Te c h n o l o g y S a n F r a n c i s c o， Cali f o r n i a，US A2 01 3 9 S e n e r ， K a d i r C ， V a r m a ， A m i t H ， A y h a n ， D e n i z ， S t e e l p l a t e c o m p o s i t e( S C )w a l l s ：O u t 一0 f p l a n e fl e x u r ai b e h a v i o r ，d a t a b a s e ， and d e s i gn J J o u rn al o f C o n s t r u c t i o n al S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 1 5( 1 0 8 ) ： 4 6 5 9 【 收稿 日期】 2 0 1 5 0 5 0 7 作者简介】 褚潆( 1 9 8 1一) ， 男 ， 长春人 ， 硕 士研究 生 ， 工程 师， 研究方向： 核电厂抗震设计。