核工程双钢板—混凝土结构抗震性能研究

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1、核工程双钢板－混凝土结构抗震性能研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：土木工程系学科：土木工程研究生：杨悦指导教师：刘晶波教授二○一五年六月Seismicbehaviorofdoublesteel-concretecompositestructuresinnuclearengineeringDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinCivilEngineeringbyYangYueDis

2、sertationSupervisor:ProfessorLiuJingboJune,2015摘要摘要双钢板-混凝土结构是一种采用钢板代替受力钢筋，将钢板外包于混凝土而形成的组合结构。与钢筋混凝土结构相比，双钢板-混凝土结构施工方便，同时兼具良好的受力性能和抗冲击性能，因而在我国第三代核电机组安全壳的设计中得到应用。目前我国关于此类结构的研究较少，设计方法也尚不明确。本文通过基本构件试验，对双钢板-混凝土结构的面外受力机理、滞回特性以及表面钢板的屈曲性能进行了研究，在此基础上建立了安全壳的整体有限元分析模型，通过数值计算对其抗震安全性能进行评估。主要工作和研究成果包括：（

3、1）进行了7个钢板-混凝土组合板的面外静力加载试验。分析了钢板配置、抗剪连接程度及钢板厚度对组合板面外受力性能的影响。结果表明试件按完全抗剪连接设计时，受力机制与钢筋混凝土相似，但在钢板与混凝土的交界面会产生滑移效应。双钢板-混凝土试件的受压区钢板还会发生局部屈曲现象。（2）进行了3个双钢板-混凝土组合悬臂墙的面外拟静力加载缩尺试验。通过改变剪跨比和钢板厚度，得到了试件在不同破坏模式下的受力机理和滞回特性，验证了原型结构中距厚比取值的合理性和对拉钢筋对于试件面外抗剪的贡献。（3）采用一种分离式分层壳单元对组合板静力加载试验进行了有限元模拟，模型能够真实反映钢板和混凝土之间

4、的界面滑移行为，计算结果与试验吻合良好。在此基础上，结合试验结果与有限元分析，给出了钢板-混凝土结构面外承载力和刚度的计算公式。（4）进行了10个双钢板-混凝土组合墙的轴压试验。分析了距厚比、钢板厚度以及栓钉布置形式对试件表面钢板屈曲性能的影响。根据本文的试验结果，同时结合国内外现有的试验数据，给出了表面钢板距厚比限值的计算公式。（5）对轴压试验进行了有限元模拟，考虑了混凝土对钢板的单边约束效应以及栓钉的锚固变形和滑移效应。通过有限元的补充分析，量化了栓钉锚固刚度、距厚比以及钢板初始缺陷对于钢板屈曲应力的影响，验证了所建议的距厚比限值公式的合理性。最后分析了栓钉布置形式影

5、响钢板屈曲性能的深层次原因。（6）根据试验结果，校核了某安全壳双钢板-混凝土部分的设计参数，采用分层壳单元对整体结构建立了有限元分析模型，通过弹塑性动力时程分析，得到了结构在特大地震作用下的内力、变形和薄弱位置，对其抗震裕度进行了分析。关键词：双钢板-混凝土结构；面外受力性能；屈曲性能；试验研究；结构抗震性能IAbstractAbstractDoublesteel-concretecomposite(DSC)structure，formedbycoreconcreteencasedbysteelplate,hastheadvantagesinconstructioncon

6、venience,air/watertightnessandshockresistancecomparedtotraditionalreinforcedconcretestructure,thusitwasappliedinthesafetyshellstructureintheChina3rdnuclearpowerplant.However,researchonDSCstructureinChinaisnotverycomprehensiveandthecorrespondingdesignmethodisnotclear.Hence,theout-of-planem

7、echanicalperformance,hystericalloopcharacteristicandlocalbucklingofexteriorsteelplatearefirststudiedinthispaperbyspecimentestonDSCelementarycomponentsand,furthermore,toevaluatetheaseismicperformance,anintegralfiniteelementmodelofDSCsafetyshellstructureisestablisheda