AP1000墻體模塊在混凝土分層澆筑過程中的變形研究

冮傳鵬，王慶華，封雷，代帥

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061；2.國(guó)核工程有限公司，上海 201100）

AP1000墻體模塊在混凝土分層澆筑過程中的變形研究

冮傳鵬1，王慶華1，封雷1，代帥2

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130061；2.國(guó)核工程有限公司，上海 201100）

AP1000核工程中的墻體模塊采用的是鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)。安裝核電設(shè)備要求墻體鋼板變形不超過3 mm，試驗(yàn)研究了分層澆筑自密實(shí)混凝土對(duì)鋼板的側(cè)壓力與澆筑高度的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Abaqus有限元分析軟件對(duì)墻體模塊中的鋼板及其連接桿件的應(yīng)力和位移等進(jìn)行了模擬分析，研究了鋼板厚度、角鋼加勁肋間距以及槽鋼拉結(jié)桿間距對(duì)結(jié)構(gòu)模塊變形的影響，為結(jié)構(gòu)模塊墻體的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出建議，并為其后續(xù)施工提供參考。

AP1000墻體模塊；鋼板混凝土結(jié)構(gòu)；側(cè)壓力；應(yīng)力；位移

0 引言

AP1000是一種先進(jìn)的非能動(dòng)型壓水堆核電技術(shù)。AP1000核工程使用模塊化建造方法，將其結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行工廠化預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)拼裝、組焊、整體吊裝，大幅縮短了建設(shè)工期，有效提高了工程質(zhì)量。

結(jié)構(gòu)模塊包括墻體子模塊和樓板子模塊，墻體模塊通常由鋼板、角鋼加勁肋和槽鋼拉結(jié)桿等組成墻體框架，然后在框架中澆筑自密實(shí)混凝土（SCC）形成。AP1000核電工程的設(shè)備安裝要求墻體模塊中鋼板的變形不超過3 mm，但自密實(shí)混凝土具有較大的流動(dòng)性和較長(zhǎng)的凝結(jié)時(shí)間，澆筑后對(duì)鋼板產(chǎn)生比普通混凝土大得多的側(cè)壓力，可能導(dǎo)致鋼板變形過大不利于設(shè)備的安裝。本文在研究自密實(shí)混凝土澆筑過程中對(duì)模板產(chǎn)生的側(cè)壓力與混凝土凝結(jié)時(shí)間關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用Abaqus有限元分析軟件模擬分析了墻體模塊中鋼板厚度、豎向角鋼加勁肋間距及槽鋼拉結(jié)桿間距等與模塊變形之間的關(guān)系，為墻體模塊的設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

1 自密實(shí)混凝土側(cè)壓力試驗(yàn)研究

利用有限元軟件Abaqus模擬分析墻體模塊的應(yīng)力和位移時(shí)，需要了解混凝土澆筑過程中對(duì)鋼板產(chǎn)生的最大側(cè)壓力。因此，在參考CCES 02—2004《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》和CECS 203—2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了自密實(shí)混凝土的澆筑試驗(yàn)，以得到自密實(shí)混凝土對(duì)模板側(cè)壓力與每層澆筑高度的關(guān)系。混凝土配合比為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（粗骨料）∶m（砂）∶m（水）∶m（外加劑）=293∶158∶879∶845∶185∶4.64。

在高度為2 m的墻體模型中分層澆筑混凝土，每層澆筑0.5 m，待初凝后澆筑下一層，自模板底部開始每隔0.5 m布置1個(gè)壓力盒（量程50 kPa，精度0.05 kPa），共布置4個(gè)。試驗(yàn)共進(jìn)行3次，得到每層自密實(shí)混凝土最大側(cè)壓力與澆筑高度的關(guān)系曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出：

（1）當(dāng)澆筑第1層SCC時(shí)，模板底部產(chǎn)生的側(cè)壓力最大，其范圍為4.0～7.2 kPa。若按液體壓強(qiáng)公式P=γ×h計(jì)算，模板底部壓力為12 kPa（簡(jiǎn)稱液壓值），因此，模板底部試驗(yàn)值占液壓值的33.3%～60.0%，其中混凝土重度γ取24 kN/m3[1]，h為每層的澆筑高度。

圖1 混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力與高度關(guān)系曲線

（2）澆筑第2層SCC時(shí)，模板底部的側(cè)壓力范圍是2.2～ 7.2 kPa，0.5 m高度處的側(cè)壓力最大，其范圍是6.8～9.3 kPa，占液壓值的56.6%～77.5%。

（3）澆筑第3層SCC時(shí)，模板底部產(chǎn)生的側(cè)壓力已經(jīng)很小，其范圍是0～2.3 kPa，0.5 m高度處的側(cè)壓力范圍是4.5～ 6.3 kPa，1.0 m高度處的側(cè)壓力最大，最大值的范圍是6.1～8.3 kPa，占液壓值的50.8%～69.2%。

（4）澆筑第4層SCC時(shí)，模板底部產(chǎn)生的側(cè)壓力是0～1.2 kPa，基本可以忽略，0.5 m高度處是1.4～2.1 kPa，也很小，1.0 m高度處的側(cè)壓力范圍是2.3～4.4 kPa，1.5 m高度處的側(cè)壓力最大，為3.2～8.1 kPa，占液壓值的26.7%～67.5%。

（5）每層混凝土澆筑時(shí)，其側(cè)壓力沿高度方向均呈線性變化，且自其底部向上，側(cè)壓力逐漸減小?；炷聊Y(jié)后在其上層澆筑混凝土?xí)r，最大側(cè)壓力出現(xiàn)在澆筑當(dāng)前層的底部，數(shù)值為液壓值的30%～80%，此時(shí)，先期凝結(jié)的混凝土側(cè)壓力降低。

2 墻體模塊有限元分析模型的建立

圖2 模塊墻體示意

墻體模塊由鋼板、角鋼立柱和槽鋼拉結(jié)桿等組成（見圖2），其兩端部的鋼板上未設(shè)置角鋼立柱和槽鋼拉結(jié)桿，在鋼板內(nèi)側(cè)焊有鉚釘以加強(qiáng)其與混凝土之間的粘結(jié)。利用有限元軟件Abaqus建立墻體模塊分析模型，并以試驗(yàn)得到的混凝土側(cè)壓力與澆筑高度的關(guān)系作為加載條件，對(duì)墻體中各個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力與位移進(jìn)行模擬分析。

2.1 模擬試件的規(guī)格和尺寸

為研究鋼板厚度、豎向角鋼加勁肋間距以及槽鋼拉結(jié)桿間距對(duì)墻體模塊的側(cè)壓力與變形的影響，設(shè)計(jì)了7個(gè)不同參數(shù)的墻體試件（見表1）。其中基本試件定義為Base，即按照AP1000實(shí)際工程的墻體模塊CA20建立的基本模型[1]，其尺寸及相關(guān)參數(shù)為：墻體高15 m，長(zhǎng)5 m，厚1.219 m（包含板厚）；鋼板采用Q235B國(guó)標(biāo)碳鋼，厚度14 mm；角鋼選用∟100×80×10，豎向布置，間距為762 mm；槽鋼選用[14B，長(zhǎng)度1191 mm，間距為1219 mm。由于鉚釘對(duì)于結(jié)構(gòu)模塊墻體的側(cè)向變形影響相對(duì)較小，故在建立模型（見圖3）時(shí)未考慮銷釘?shù)淖饔?。在Base試件的基礎(chǔ)上通過改變鋼板厚度（GBH1、GBH2）、角鋼間距（JGJ1、JGJ2）、以及槽鋼間距（CGJ1、CGJ2）等參數(shù)得到其余6個(gè)模擬試件。

表1 模擬試件參數(shù)

圖3 Base試件有限元模型

2.2 鋼材的本構(gòu)模型

材料的本構(gòu)關(guān)系一般以未變形材料截面的名義應(yīng)力和應(yīng)變?chǔ)襫om、εnom來(lái)表達(dá)，而在材料受力發(fā)生變形時(shí)，再用σnom、εnom就不能準(zhǔn)確描述材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在 Abaqus中定義塑性材料時(shí)，需輸入真實(shí)應(yīng)力σtrue、εtrue，其與名義應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系為[2]：

此時(shí)，需要輸入的是材料的應(yīng)力和對(duì)應(yīng)的塑性應(yīng)變值而不是總應(yīng)變值，塑性應(yīng)變值等于總應(yīng)變值減去彈性應(yīng)變值。鋼材的密度取7800 kg/m3，泊松比取0.3，彈性模量取210 GPa。鋼材的本構(gòu)關(guān)系選用Von Mises模型，應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖4。

圖4 鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 單元類型及網(wǎng)格劃分

鋼板、角鋼和槽鋼的單元類型均為實(shí)體單元（8節(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R），并采用減縮積分。鋼板和型鋼之間約束關(guān)系為綁定約束（Tie），鋼板與型鋼底部的約束條件為完全固定（Encastre），沒有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)位移。網(wǎng)格劃分采用逐漸減小網(wǎng)格密度的方法，直到2次結(jié)果相差不大，認(rèn)為是最合適的網(wǎng)格密度[2]。本文中網(wǎng)格尺寸取0.5 m，網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 網(wǎng)格劃分

2.4 模型加載條件

根據(jù)前述的試驗(yàn)結(jié)果，分層澆筑的過程中，自密實(shí)混凝土對(duì)模板的最大側(cè)壓力值為液壓值的80%，即80%γh。若分層澆筑，每次澆筑5 m，則最大壓力為96 kPa，此外，對(duì)于某一層混凝土，盡管初凝后對(duì)模板側(cè)壓力逐漸減小，但其側(cè)壓力值明顯受到新澆混凝土的影響，為此，設(shè)置3個(gè)分析步（step）來(lái)建立鋼板的加載條件（見圖6），每個(gè)分析步代表澆筑1層自密實(shí)混凝土。加載時(shí)同時(shí)考慮了鋼構(gòu)件的自重。

3 有限元模擬結(jié)果及分析

對(duì)Base試件在給定加載條件下進(jìn)行模擬分析，各個(gè)分析步鋼板的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖6 各個(gè)分析步的加載條件

圖7 Base試件鋼板的應(yīng)力云圖

從圖7可以看出：模塊的最大應(yīng)力出現(xiàn)在槽鋼拉結(jié)桿，其值為114.8 MPa，最大位移為4.16 mm；鋼板的最大應(yīng)力為12.56 MPa，最大位移為0.58 mm；角鋼立柱的應(yīng)力和位移均小于槽鋼，對(duì)墻體受力和變形影響很小，故僅對(duì)槽鋼和鋼板的應(yīng)力和位移情況進(jìn)行分析。由于墻體模塊端部的鋼板并沒有設(shè)置角鋼加勁肋和橫向槽鋼拉結(jié)桿以及結(jié)構(gòu)自身重力的影響，鋼板最大應(yīng)力出現(xiàn)在墻體端部鋼板底部的位置。其余試件的最大應(yīng)力和變形的模擬結(jié)果及與Base試件的對(duì)比情況如圖8所示。

圖8 試件最大應(yīng)力及最大位移

由圖8（a）、（d）可看出，鋼板厚度從14 mm減小到12 mm時(shí)，槽鋼和鋼板的應(yīng)力和位移變化顯著，其應(yīng)力分別增加了54.9%和121%；位移分別增加了54.8%和31.0%；鋼板厚度從12 mm減小到10 mm時(shí)，槽鋼的應(yīng)力和位移均有所減小，但相差不大，變化幅度均為1.86%；鋼板的應(yīng)力增加幅度為17.9%，但其位移變化不大，為2.63%；模擬的3種厚度鋼板的位移最大值0.74 mm，最小值為0.58 mm，均未超過限值3 mm，可滿足要求。

由圖8（b）、（e）可看出，當(dāng)角鋼的間距由762 mm增加到1000 mm時(shí)，槽鋼拉結(jié)桿的應(yīng)力和位移變化不大，分別增加了14.5%和14.4%，鋼板的應(yīng)力和位移增加明顯，分別增加了35.5%和160%；因此，角鋼間距的變化對(duì)鋼板影響很大；當(dāng)角鋼間距由1000 mm增加到1250 mm時(shí)，槽鋼和鋼板的應(yīng)力和位移均有明顯的增加，并且槽鋼的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到屈服強(qiáng)度210 MPa，位移達(dá)到了9.79 mm，因此角鋼立柱的間距建議不要超過1000 mm。

由圖8（c）、（f）可看出，當(dāng)槽鋼間距由1219 mm增加到1500 mm時(shí)，槽鋼的應(yīng)力和位移的變化幅度均為19.5%；鋼板的應(yīng)力和位移變化幅度分別為26.8%和27.6%，槽鋼間距的變化對(duì)鋼板影響也較大；當(dāng)槽鋼間距由1500 mm增加到1800 mm時(shí)，槽鋼的應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到其屈服強(qiáng)度210 MPa，位移達(dá)到了9.83mm，因此槽鋼間距可適當(dāng)增大，但不要超過1500mm。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在澆筑過程中，自密實(shí)混凝土側(cè)壓力沿高度方向呈線性變化，且自其底部向上，側(cè)壓力逐漸減??；分層澆筑時(shí)，最大側(cè)壓力出現(xiàn)在澆筑當(dāng)前層的底部，為液壓值的30%～80%，先期凝結(jié)的混凝土側(cè)壓力降低。

（2）角鋼立柱、槽鋼拉結(jié)桿間距以及鋼板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)模塊墻體的變形均有顯著的影響，角鋼和槽鋼拉結(jié)桿的設(shè)置能有效增加結(jié)構(gòu)模塊墻體的抗側(cè)剛度，減小鋼板的變形。當(dāng)鋼板厚度由14 mm減小到12 mm時(shí)，鋼板位移增加了31%；當(dāng)角鋼間距由726 mm增大到1250 mm時(shí)，即角鋼間距增大了72%后，鋼板位移增大了260%，且角鋼間距超過1000 mm后，槽鋼的應(yīng)力已經(jīng)超過其屈服強(qiáng)度；當(dāng)槽鋼間距由1219 mm增加到1800 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的鋼板位移增大了126%，雖然鋼板的變形未超過3 mm的控制要求，但槽鋼的應(yīng)力已經(jīng)超過其屈服強(qiáng)度。

（3）AP1000實(shí)際工程中角鋼立柱間距、槽鋼拉結(jié)桿間距以及自密實(shí)混凝土每層澆筑高度都偏于保守，可適當(dāng)增大；在每層澆筑高度取5 m情況下，角鋼立柱的間距不要超過1000 mm，槽鋼拉結(jié)桿的間距不要超過1500 mm，鋼板厚度不小于10 mm。

[1] 沈平華.自密實(shí)混凝土在AP1000核電項(xiàng)目中的應(yīng)用[J].山西建筑，2015，40（8）：123-125.

[2] 朱曉蓉.鋼框架雙鋼板內(nèi)填混凝土剪力墻抗剪性能研究[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2015，28（2）：31-35.

Research on the deformation of AP1000 wall module in the process of concrete layer pouring

GANG Chuanpeng1，WANG Qinghua1，F(xiàn)ENG Lei1，DAI Shuai2
（1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130061，China；2.China Nuclear Engineering Company Limited，Shanghai 201100，China）

The wall module in the AP1000 nuclear engineering is a steel plate concrete composite structure.The deformation of steel plate wall according to the installation requirements for nuclear power equipment is no more than 3 mm.In this paper，the relationship between the lateral pressure of the steel plate and the pouring height during the self compacting concrete layered pouring is studied，on the basis of this，using Abaqus，a kind of finite element analysis software，to simulate the stress and displacement of the steel plate and the connecting rod in the wall module.The influence of plate thickness，angle steel stiffener spacing and channel steel bar spacing on the deformation of the structure module is studied.The study results give suggestions for optimization design of wall module structure and provide a reference for the subsequent construction.

AP1000 wall module，steel plate concrete structure，lateral pressure，stress，displacement

TU528

A

1001-702X（2016）08-0123-05

2016-04-07

冮傳鵬，男，1992年生，遼寧本溪人，碩士研究生。