第期 - #!- 李小军等$核电工程双钢板混凝土剪力墙面外受弯性能率以及良好的抗震性能被认为是新一代核电站 * 安全相关墙体结构的重要形式目前虽然钢板混凝土剪力墙结构已经被应用于核电工程但缺乏钢板混凝

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管琏叶
5 years ago
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1 * 3 6 第! 卷第期 #$ 年月 ; <! =< >* < #$ 核电工程双钢板混凝土剪力墙面外受弯性能!# 李小军!李晓虎!<北京工业大学建筑工程学院北京 $$# #<中国地震局地球物理研究所北京 $$$# 摘要!为了研究核电工程双钢板混凝土组合剪力墙在面外荷载作用下的抗震性能!本文对 M 个剪力墙试件进行了低周往复荷载试验# 制作的试件包括? 个双钢板混凝土组合剪力墙试件和个钢筋混凝土剪力墙试件# 通过参数分析!研究了钢板厚度竖向荷载和混凝土强度对双钢板混凝土组合剪力墙试件面外抗震性能的影响# 试验结果发现双钢板混凝土组合剪力墙试件具有良好的承载力和抗侧刚度!但比钢筋混凝土剪力墙在破坏阶段的延性要差# 钢板厚度和竖向荷载都对双钢板混凝土组合剪力墙试件的面外抗震性能有较大影响!而混凝土强度对其影响不明显# 利用 > >j6f 有限元软件对双钢板混凝土组合剪力墙面外荷载试验进行了模拟!试件极限荷载的模拟结果和试验结果比较吻合# 在试验和数值分析的基础上提出了双钢板混凝土组合剪力墙面外受弯承载力的计算公式!为核电工程双钢板混凝土组合剪力墙的设计提供参考# 关键词!双钢板混凝土剪力墙面外低周往复试验抗震性能有限元分析受弯承载力钢板厚度竖向荷载混凝土强度核电工程!# $ L *< #$M$$? D NNN< O < O C #!H!$<*< #$$#H M!H M<L C 网络出版地址!L $!$#$$ #! $ 中图分类号!Q6! 文献标志码!> 文章编号!$$M F 3 * - VU] *# VU] L*!<T > L * T 3 6 Q L $$# TL #C $$$ TL # $S* D L N D C N * * L * D C L * D CD L N! FTk# * D N >j6f<f C* * * C L C N L L * <S L L C* * - C* - L * D LFTk ND D L DD <QL L - L FTk * D N < 6 3 $ * D L N * D C D C * D L O D L * C D N 收稿日期!#$M Z$ Z$< 网络出版日期!#$ Z$ Z#< 基金项目!国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目!?#$$?# 国家科技重大专项!#$!R]$M$$#$$ # 北京 [Q#$!$?$# < 市属高等学校创新团队建设提升计划! U 作者简介!李小军!M? Z#男教授博士生导师长江学者特聘教授李晓虎!M Z# 男博士研究生< C $ L*#$MM_#M< C< 通信作者!李晓虎3 T>e$$ 核电站是中国在吸收西屋公司第三代核电技术 >e$$$ 的基础上通过创新拥有自主知识产权和独立出口权的大型先进压水堆核电技术 Z!* 资料显示钢筋混凝土结构应用于核电站屏蔽厂房在抗震性能和辐射防护方面还存在一些缺陷钢板混凝土剪力墙由于其能够很大程度地提高施工效

2 第期 - #!- 李小军等$核电工程双钢板混凝土剪力墙面外受弯性能率以及良好的抗震性能被认为是新一代核电站 * 安全相关墙体结构的重要形式目前虽然钢板混凝土剪力墙结构已经被应用于核电工程但缺乏钢板混凝土剪力墙的设计规范标准对于双钢板混凝土组合剪力墙! FTk# 在面外荷载作用下的抗震性能研究还比较少 #$ 世纪 $ 年代钢板混凝土组合结构最早被应用于海洋工程加拿大? ZM* 日本日本英国以及美国都对其进行了研究学者开始对钢板混凝土结构在核电工程中的应用 Z* 经过对钢板混凝土组合结构多年进行研究的研究日本积累了大量的试验数据和理论基础日本在试验和数值分析的基础上编制了与核电工 * 程安全相关的 FT剪力墙设计规范美国钢铁建筑协会编制了核安全相关钢板混凝土组合剪力 $* 等通过比较试验结果和墙的设计规范利用日本韩国美国的设计规范方程计算的结果表明设计规范中给出的计算方程得出的结果有一定的准确性但都偏安全近年来钢板混凝土组合结构在我国电视塔高层建筑等民用建筑中 * 也有所应用许多学者对民用建筑钢板混凝土 # Z!* 但是与组合结构进行了试验和理论研究民用建筑双钢板混凝土剪力墙相比核电工程双钢板混凝土剪力墙比较厚! 一般大于 C# 而且核电工程双钢板混凝土剪力墙内部混凝土没有配置受力钢筋和拉结筋等抗剪钢筋主要由栓钉等抗剪连接件加强钢板和混凝土之间的相互作用因此还需要对核电工程双钢板混凝土剪力墙进行深入研究我国对于核电工程钢板混凝土结构的研究起步比较晚新一代核电站 T>e$$ 的建设促进了我国对于核电工程双钢板混凝土组合结构的研究目前李小军在此项目上已经取得了 ZM* 但是由于设计的试件基础一些研究成果梁刚度不够导致剪力墙在试验过程中被拔出或基础梁先于墙体破坏的现象在此基础上本文在设计试件时对基础梁进行了改进试验概况 H 试验方案本试验设计了 M 个缩尺比为 }? 的试件! 包括? 个的双钢板混凝土剪力墙试件编号为 FTk g FTk? 个钢筋混凝土剪力墙试件编号为 \TM# 所有剪力墙试件的尺寸相同其中试件 \TM 以与试件 FTk 相同的含钢率进行设计试件由三部分组成$加载梁剪力墙墙体和基础梁具体的尺寸分别为?$ CCp!$ CCp!$ CC$$ CCp##$ CCp!$ CC $$$ CCp $$ CCp?$$ CC 剪力墙钢板采用强度等级为 j!? 的钢材钢板内表面设置?$ 的栓钉栓钉间距为 M$ CC 为了避型号为 [M 免基础梁先于剪力墙墙体破坏在基础梁外包钢 $ 的栓钉加板并在钢板内侧焊接型号为 [# 强钢板和混凝土之间的连接试件外观尺寸以及试件的内部构造如图所示方案设计的变化参数主要有钢板厚度!? CC# 竖向荷载! $ #$ O# 和混凝土强度! T$T?? # 试件的参数设计见表表试件参数! - 试件编号钢板竖向 CC 荷载 O 厚度混凝土强钢材强度等级度等级 FTk #$ T?? j!? FTk# $ T?? j!? FTk! #$ T$ j!? FTk $ T$ j!? FTk?? #$ T$ j!? #$ T?? \ $$ \TM H# 材料力学性能制作剪力墙试件所用的混凝土采用商品混凝土在浇筑试件的过程中采集混凝土制作! 个抗压强度试验立方体试块! 个抗拉强度试验试块! 个混凝土弹性模量试验试块与剪力墙试件在同等条件下养护 # 按照普通混凝土力学性能 Q?$$ Z#$$## * 对混凝土试验方法标准 3! a 试块进行抗压强度试验和抗拉强度试验混凝土弹性模量 >V测试结果见抗压强度 V 抗拉强度 # 表表 # 混凝土力学性能 # D HD 混凝土强度等级 V >V T$ #H!!H!H $? p$ T?? #H?H!H #? p$ 钢板采用 j!? 普通热轧钢板钢筋选用 \ $$ 依照金属材料室温拉伸试验方法 3 a Q## #$$# * 的规定进行抗拉强度试验钢材的屈服强度抗拉强度弹性模量 > 测试结果见表! 表! 钢材力学性能! D HD 钢材 CC钢板 >!?#H # H! p$!? CC钢板!H H $ p$! [M 栓钉 [ 钢筋!!H!! p$!!h!! M! #$ p$! [M 钢筋 # M!H!! #$! p$!

3 - #$- 图 ;<试件设计示意图 = ;<! - * 第! 卷

低周往复荷载水平荷载的施加采用荷载 Z位移混合控制的方式每次加载 #$ O并循环一次逐级增加直到试件屈服记录试件发生屈服时的然后开始进行位移控制加载每次水平位移为水平荷载达到试件峰值荷加载步距为的载的?

4 第期李小军等$核电工程双钢板混凝土剪力墙面外受弯性能 H! 加载设备及加载制度本文采用对钢板混凝土组合剪力墙试件进行面外低周往复荷载试验的方法来研究剪力墙的面外抗震性能本次试验在北京工业大学工程抗震 a$ 与结构诊治北京市重点实验室进行按照 * M 建筑抗震试验方法规程 3 的规定通过液压千斤顶对剪力墙试件分别施加竖向和水平荷载先对试件施加竖向荷载到预定值然后施加水平低周往复荷载水平荷载的施加采用荷载 Z位移混合控制的方式每次加载 #$ O并循环一次逐级增加直到试件屈服记录试件发生屈服时的然后开始进行位移控制加载每次水平位移为水平荷载达到试件峰值荷加载步距为的载的?q 时即认为试件破坏停止加载试验结束为了测出墙顶的水平位移在加载梁侧面中心位置分别设置位移计为了消除基础梁位移对试验结果的影响在基础梁侧面中心位置放置位移计试验加载装置如图 # 所示图 C<试验加载装置 = C< H 试验现象 M 个剪力墙试件在试验过程中的发展阶段比较相似可以大致分为三个阶段$ 弹性阶段混凝土开裂和试件屈服阶段破坏阶段剪力墙试件破坏形态如图! 所示图 <剪力墙试件破坏特征 = <= 弹性阶段$钢板和混凝土都处于弹性状态两者能够一起同步抵抗荷载的作用从外观看试件没有明显的变形现象观察仪器中显示的荷载位移曲线呈线性关系发展混凝土开裂和试件屈服阶段$ 在往复荷载作用 - #- 下试件表面开始在墙体底部出现水平短裂缝然后继续加载裂缝发展成交叉斜裂缝在加载相同荷载的条件下位移变大试件开始屈服在墙体根部钢板慢慢开始发生鼓屈现象破坏阶段$ 在此阶段混凝土表面出现贯通裂缝混凝土被压碎钢板鼓屈现象严重钢板和混凝土接触面完全脱离内部栓钉在剪切作用下有的被剪断混凝土破碎并且钢板发生屈服以后钢板混凝土组合剪力墙试件承载力下降比较明显钢筋混凝土剪力墙试件则表现出良好的延性承载力没有明显下降 # 试验结果及分析 #H 滞回曲线剪力墙试件的荷载 Z位移滞回曲线如图所示从图中可以看出在加载初期曲线呈直线变化基本没有能量消耗当试件开裂以后滞回环的面积逐渐变大能量消耗也逐渐变大一直到峰值荷载滞回曲线呈 F 形比较 FTk 和 \T的峰值荷载在相同条件下 FTk 比 \T具有更好的极限承载力当试件进入破坏阶段FTk 滞回曲线下降比较快而 \T试件滞回曲线下降缓慢分析原因对于 FTk 试件刚开始由于钢板对混凝土的约束作用使得 FTk 试件拥有更高的承载力当钢板屈服以后只剩下内部混凝土起作用因此 FTk 试件会发生脆性破坏对于 \T试件刚开始主要由混凝土承担荷载当混凝土被压碎以后内部的钢筋起作用后期试件表现出良好的延性总结分析结果面外低周往复试验 \T比 FTk 拥有更好的延性FTk 比 \T 拥有更强的承载力 #H# 骨架曲线把滞回曲线上每个循环的荷载最大值用平滑曲线连接起来形成骨架曲线根据骨架曲线可以判断试件的刚度强度等重要抗震性能指标为了研究钢板厚度对剪力墙面外抗震性能的影响取试件 FTk!! 钢板厚度 CC# 和 FTk?! 钢板厚度? CC# 为研究对象试件 FTk! 和 FTk? 的骨架曲线如图? 所示从图中可以看出钢板厚度的增加提高了试件的抗侧刚度并且在一定程度上提高了剪力墙的极限承载力数据显示极限承载力提高了 HMq 比较试件 FTk! 和 FTk? 极限承载力出现的时间可以发现钢板厚度的增加使得极限承载力出现时所对应的位移减小说明钢板厚度的增加在一定程度上减小了试件的延性为了研究竖向荷载对剪力墙面外抗震性能的影响取两组试件 FTk! #$ O# 和 FTk#

5 - ##-!$ O# FTk!!#$ O# 和 FTk!$ O# 为研第! 卷究对象两组试件的骨架曲线如图 M 所示图 G<试件荷载 V位移滞回曲线 = G<U ] *3 R * 化不大但竖向荷载大的试件承载力有所提高比较试件 FTk! 和 FTk 竖向荷载的增加使得抗侧刚度有所提高并且试件的极限承载力也有明显提高比较极限承载力出现的时间可以发现竖向荷载的增加延缓了极限承载力的出现图 <不同钢板厚度试件骨架曲线 = < R * * 比较试件 FTk 和 FTk# 两者的抗侧刚度变为了研究混凝土强度等级对剪力墙面外抗震性能的影响取两组试件 FTk! T?? # 和 FTk!! T$# FTk#! T??# 和 FTk! T$# 为研究对象两组试件的骨架曲线如图所示比较试件 FTk 和 FTk!混凝土强度的变化对试件的抗侧刚度和极限承载力都没有明显的影响比较试件 FTk# 和 FTk混凝土强度的增加稍微地提高了试件的极限强度但效果不明显图 <不同竖向荷载试件骨架曲线 = < R * R 图给出了钢板混凝土组合剪力墙试件和钢筋混凝土剪力墙试件的骨架曲线比较试件 FTk 和 \TM 可以看出钢板混凝土组合剪力墙很大程度上提高了试件的抗侧刚度和极限承载力数据显示钢板混凝土组合剪力墙试件的极限承载力比钢筋混凝土剪力墙提高了 Hq 但是在达到极限承载力

第期李小军等$核电工程双钢板混凝土剪力墙面外受弯性能以后试件的延性明显降低分析原因$ 在试件进入破坏阶段后钢板混凝土组合剪力墙试件钢板已经发生屈服只有部分混凝土起作用因此最后会发生 - #!- 脆性破坏钢筋混凝土剪力墙中的钢筋则在试件破坏后发挥了重要作用因此在破坏阶段会有很好的延性图 L<不同混凝土强度试件骨架曲线 = L< R * - *- # 材料的本构关系曲线参考 a?

6 第期李小军等$核电工程双钢板混凝土剪力墙面外受弯性能以后试件的延性明显降低分析原因$ 在试件进入破坏阶段后钢板混凝土组合剪力墙试件钢板已经发生屈服只有部分混凝土起作用因此最后会发生 - #!- 脆性破坏钢筋混凝土剪力墙中的钢筋则在试件破坏后发挥了重要作用因此在破坏阶段会有很好的延性图 L<不同混凝土强度试件骨架曲线 = L< R * - *- # 材料的本构关系曲线参考 a?$$$ #$$ 混凝土结构设计规范 3 的相关规定钢材的本构模型采用经典的金属塑性模型钢材的泊松比取! 屈服强度和弹性模量的取值见表! 图 M<?_; 和 $? 骨架曲线 = M< R?_; 和 $?! 双钢板混凝土组合剪力墙有限元分析!H > >j6f 模型本文采用 > >j6f 有限元软件对钢板混凝土组合剪力墙的面外抗震性能进行模拟钢板混凝土和栓钉采用 T![ 单元钢筋采用 Q![# 单元采用硬接触来模拟钢板和混凝土之间的法向行为采用库伦摩擦模型来模拟钢板和混凝土之间的切向行为库伦摩擦系数根据多项试验结果取 M 在建立模型过程中忽略加载梁的变形将加载点直接设置在墙体顶面中心点上不另外设置加载梁忽略基础梁在实际加载过程中的位移在基础底面设置完全固定的约束方式模拟试验加载过程设置 # 个分析步$# 在墙顶施加竖向荷载## 在墙顶中心点施加水平荷载采用位移控制的方法墙体边界条件及加载方式如图所示!H# 材料本构混凝土采用混凝土塑性损伤模型为了保证模拟和试验的同步并有利于模拟结果的收敛材料的模型参数根据对试验原材料的试验结果取得混凝土的抗压强度弹性模量的取值见表 # 泊松比取图 N<边界条件及加载方式 = N<S 3 -!H! 结果分析由于在建立模型中对试件加载的是单调水平荷载在绘制试件的骨架曲线时负方向的曲线采用把正方向的曲线反对称得到剪力墙试件的有限元和试验骨架曲线对比如图 $ 所示从图中可以看出试件在有限元模拟和试验过程中的曲线发展趋势比较相似而且极限承载力比较接近但是有限元模拟的试件抗侧刚度要大于试验值试件在达到极限承载力时的位移相差比较大分析原因$ 有限元分析时没有考虑混凝土的累积损伤在试验过程中基础梁会有微小的水平位移在有限元模型建立时忽略了基础梁的水平位移将基础梁设置成了完全固定的约束形式

7 - #- 第! 卷图 ;<试件有限元和试验骨架曲线 = ;< R 对比试件极限荷载的有限元模拟值和试验实测 U > 值对比结果见表所示 < < 分别为极限荷载的有限元值和实测值从表中的比较结果可以看出有限元值和实测值比较吻合说明有限元分析结果有一定的参考价值表极限荷载有限元值和实测值 = R F R 试件编号 FTk <> <U!#H!M#H FTk#!H!M!H!!! FTk!!!MH $!H?! M FTk #?H!H FTk?!!H?!?!H!? H \TM H #? #H! 双钢板混凝土组合剪力墙受弯承载力分析中钢板混凝土组合剪力墙极限承载力的计算不宜直接采用钢筋混凝土结构计算公式对核电工程双钢板混凝土组合剪力墙面外荷载的极限承载力进行计算分析需要对剪力墙试件进行一些简化假定$ # 平截面假定即试件在变形后截面仍然为平面忽略由于混凝土被压碎和钢板鼓屈对截面造成的影响 ## 受压区混凝土都达到抗压强度忽略受拉区混凝土的抗拉作用!# 考虑钢板对混凝土的约束作用在混凝土抗拉强度乘以一个提高系数 dh# # 钢板发生屈服后达到屈服强度不变钢板的应力 Z应变关系曲线如图所示表达式如下$ 当 $ ##时$d> 当!时$d$ 对钢板混凝土组合剪力墙的面外承载力的计 * 算美国主要参考 >TU 规范中规定的计算公式! 见式 # 此公式主要是为了计算核电站钢筋混凝土结构的面外承载力把承载力分为混凝土和钢板两个部分没有考虑钢板对混凝土的约束作用因此直接用于双钢板混凝土组合剪力墙的计算会偏于安全我国目前核电站安全壳中对双钢板混凝土组合结构的设计同样主要参考建筑结构中钢筋混凝土剪力墙的斜截面受剪承载力的计算而根据试验结果分析钢板混凝土组合剪力墙和钢筋混凝土剪力墙在承载力和破坏模式上有很大区别因此核电工程图 ;;<钢板的应力 V应变曲线 = ;;<!V! R 根据混凝土结构设计规范 3 * a?$$$ Z

8 第期 - #?- 李小军等$核电工程双钢板混凝土剪力墙面外受弯性能 #$$ 中的规定受弯构件正截面承载力计算时受压区混凝土的应力图形可以简化为等效的矩形应力图矩形应力图的应力值可由混凝土的轴心抗压强度 V 乘以系数确定经计算取 d 根据试件在试验过程中承受的荷载和基本假设得出剪力墙试件在极限状态下的应力分布图如图 # 所示表? 水平极限荷载计算值和实测值?? R F R 试件编号 FTk <> < <> <!#H!# H $M FTk#!H!M #?H #$ H M FTk!!!MH $!H H $M FTk #?H #!H M $ FTk?!!H?!#H H $?M? 结论 # 本文通过对双钢板混凝土组合剪力墙进行的面外低周往复试验研究了双钢板混凝土组合剪力墙的面外抗震性能结果表明$ 双钢板混凝土组合剪力墙具有良好的承载力和抗侧刚度但和钢筋混凝土剪力墙相比破坏阶段的延性较差 ## 通过试验研究了钢板厚度竖向荷载和混凝图 ;C<极限状态截面应力分布 = ;C < * 根据试件截面的应力分布以及力的平衡可知$ U- $!*!# V_ 式中$ U- 为竖向轴压力为混凝土强度提高系数取 # 为矩形等效混凝土强度系数取 $ V 分别为混凝土轴心抗压强度钢板抗压屈服强度钢板抗拉屈服强度_为试件截面的长度!为混凝土受压区高度分别为钢板受压截面面积受拉区截面面积根据假设的钢板应力应可得变关系可知 $ U- $!!## V_ 根据力矩平衡可得 V S $# *! - V *!!!# * V_ # # # # 联立方程!##!!# 可求得极限状态时试件截面的极限弯矩 S 因此 < $ S 6!# 式中$ < 为试件面外水平极限荷载6 为剪力墙高度根据式! # 计算出剪力墙试件的水平极限荷载表? 给出了计算值和试验实测值的比较结果 > 其中 < 为水平极限荷载的计算值< 为水平极限荷载的实测值从表? 中水平极限荷载计算值和实测值的比较可以发现两者能够较好吻合说明以上公式对于核电站双钢板混凝土组合剪力墙受弯承载力的计算有一定的参考价值土强度对双钢板混凝土组合剪力墙试件面外抗震性能的影响参数分析显示$ 钢板厚度和竖向荷载对剪力墙试件的承载力和抗侧刚度有较大影响钢板厚度和竖向荷载的增加都能够在一定程度上提高剪力墙试件的承载力和抗侧刚度混凝土强度在文中给出的强度范围内对剪力墙试件的抗震性能没有明显的影响!# 通过 > >j6f 有限元软件对双钢板混凝土组合剪力墙试件面外荷载试验进行了模拟模拟结果显示有限元值和试验实测值的极限承载力比较接近但有限元模拟的抗侧刚度明显比实测值大 # 分析双钢板混凝土组合剪力墙试件在极限状态下截面的应力分布通过拟合分析提出了双钢板混凝土组合剪力墙受弯承载力公式比较计算值和实测值结果显示两者吻合较好可以作为核电工程双钢板混凝土组合剪力墙受弯承载力设计提供参考参考文献! * ej6v>fq e\u 3FQV3fG <F C C * G* < Nf O$ k U e* #< #* ju > \ V6 k b>a 3 <[ D C * * < * * C L N * * #$!!# $ # Z<!* F6\V ksaf G<F C L * L N * L L *< 3 * * #$$ #!# $? ZM?< * ;>\G>> G>V6FQ3F \ F33\T <F D CD! FT# N * $ D * D C C * <* l #$ #M!# $ #$ Z #<?* G>QF6U FU G U k>q> F<F L CD C

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解放军理工大学学报自然科学版

解放军理工大学学报自然科学版第卷第期解放军理工大学学报自然科学版年月温差和荷载引起的钢组合梁界面剪应力分析朱坤宁万水为了解钢组合梁桥的连接界面受力特性分析外荷载对桥面板与钢纵梁连接界面的剪应力分布的影响利用接触面层间纵向伸长相等条