核设施钢板组合墙面外抗剪性能研究

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1、核设施钢板组合墙面外抗剪性能研究钢板组合墙由钢板、混凝土以及连接件组成。钢板位于外侧面,混凝土浇筑在两侧钢板之间,钢板与混凝土通过连接件连接,形成了钢板-混凝土-钢板夹芯结构形式,简称钢板混凝土（SC:SteelplateConcrete）。为利用钢板组合墙的模块化快速施工优势和良好的抗冲击性能,正在中国和美国建设的AP1000型核电站已将钢板组合墙应用于安全壳防护结构和核岛内部结构。目前有研究正尝试将钢板组合墙应用到韩国的APR140卵核电站和我国高温气冷堆核电站中。面外剪切作用在多种情况下可能成为核电站钢板组合墙的控制荷载,如强震作用下、与其它结构连接部位等。由于混凝土的材料特性,混

2、凝土剪切破坏为脆性破坏。混凝土发生脆性剪切破坏之前无明显征兆（显著的裂缝和钢筋屈服）,且常造成毁灭性后果。AP1000a核电站钢板组合墙采用了美国混凝土协会的《核安全相关混凝土结构规范》（简称ACI349-06规范）进行设计。然而,该规范仅适用于钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。鉴于此,研究钢板组合墙抵抗面外剪切作用的性能（面外抗剪性能）具有极为重要的现实意义。现有的研究重点关注了钢板组合墙面外受剪承载力,对取自钢板组合墙的切条进行弯剪性能测试来研究墙的面外剪切性能,即以梁的弯剪试验来研究墙的面外抗剪性能。现有的研究尚未关注面外剪切作用下钢板组合墙的延性特征以及如何避免脆性剪切破坏。因此

3、,本文以避免钢板组合墙在面外剪切作用下出现脆性剪切破坏为研究目,沿用梁的弯剪试验测试方法,重点关注抗剪配筋对钢板组合墙剪切性能的影本文开展了以下四方面的研究工作:1、开展了不同剪跨比和抗剪配筋率情况下钢板混凝土梁的抗剪性能试验研究以剪跨比和抗剪配筋率为研究参数,以确定避免脆性剪切破坏所需的抗剪配筋率为目的,测试了多个钢板混凝土梁试件。首先,测试了根据ACI349-06规范设计了钢板混凝土梁试件,以检验ACI349-06规范的适用性。根据该试验结果,继续研究了在更高抗剪配筋率和不同剪跨比情况下梁试件的抗剪性能。2、监测了钢板-混凝土界面滑移和剥离对于钢板组合墙,混凝土浇筑困难及混凝土收缩很

4、可能导致钢板-混凝土界面剥离,而使用阶段的荷载也会导致的界面滑移。鉴于此,在钢板混凝土梁的弯剪试验中,将压电陶瓷智能骨料应用于钢板-混凝土界面剥离和滑移的探测,并采用数字图像相关技术(DIC)监测荷载作用下钢板-混凝土界面剥离和滑移的全过程。基于智能骨料的主动探测方法成功地探测了界面剥离和滑移,并在试件破坏之前对界面损伤提供预警。通过数字图像相关技术,获得了剪力-界面滑移和剪力-界面剥离全过程曲线,为钢板组合墙结构的安全设计提供指导。3、完成了考虑混凝土剪切性能和界面滑移的有限元模拟分析将代表混凝土剪切本构关系研究最为先进的循环软化膜模型(CSMM:CyclicSoftenedMembr

5、aneModel)引入钢板混凝土梁的剪切性能模拟分析。在OpenSees中建立钢板混凝土梁的有限元模型,采用基于循环软化膜模型的平面应力单元来模拟混凝土及内嵌钢筋,采用杆单元模拟外侧钢板。通过折减钢板的切线模量来考虑界面滑移的影响,并为此在OpenSees中开发了专门的材料模块(SteelWithBondQ01)。4、提出了最小抗剪配筋率建议取值和受剪承载力计算公式基于对试验的总结和分析,并在考虑剪跨比的影响下,给出了最小抗剪配筋率(t,min)的建议取值。基于对现有的受剪承载力计算公式的分析和评价,并针对界面滑移的影响,提出了受剪承载力计算公式。利用本文试验数据和其它文献的试验数据,验

6、证了所提出的最小抗剪配筋率和受剪承载力计算公式。