鋼板混凝土與鋼筋混凝土抗沖擊性能的比較

趙 耀 云

(陸軍工程大學爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

0 引言

20世紀中期以來，核能作為高效清潔的能源快速發(fā)展。截至2017年10月12日，全球已投產(chǎn)核電機組448座，在建核電機組數(shù)55座[1]。2009年，美國國家核能管理委員會(Nuclear Regulatory Commission，NRC)要求新建核電站的設(shè)計標準必須滿足抵御大型商用客機的撞擊[2]。國內(nèi)于2016年頒布HAF 102—2016《核動力廠設(shè)計安全規(guī)定》首次規(guī)定核電廠設(shè)計必須考慮商用客機的惡意撞擊[3]。

目前的核電站主要存在兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)，如“華龍一號”核電站；另外一種是鋼板混凝土結(jié)構(gòu)(SC)，如AP1000核電站。針對以上兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，以往的學者也進行了相關(guān)的撞擊分析。2005年，Kobori研究中心[4]對鋼板混凝土板(SC)和鋼筋混凝土板(RC)在模型飛機撞擊作用下的反應(yīng)進行了試驗，比較了在1/7.5飛機模型撞擊作用下SC結(jié)構(gòu)和RC結(jié)構(gòu)的不同反應(yīng)。

本文針對以上兩種的不同結(jié)構(gòu)形式，通過LS-DYNA進行數(shù)值模擬分析，比較了鋼板混凝土與鋼筋混凝土局部損傷破壞效應(yīng)和整體破壞效應(yīng)的差異性，為相關(guān)工程設(shè)計提供參考。

1 模型設(shè)置

1.1 有限元模型

對于局部破壞效應(yīng)分析，建立了10 m×10 m×1 m的混凝土靶板，初始的鋼筋間距為200 mm，直徑為15 mm，混凝土采用Solid實體單元，鋼筋采用Beam梁單元進行計算，混凝土Solid單元和鋼筋Beam單元的尺寸為250 mm，靶板在四邊進行固支，以考慮周圍結(jié)構(gòu)的約束；建立的飛射物模型為變形圓形鋼管，長度為5 m，直徑為1 m，壁厚為10 mm，鋼管Shell單元的尺寸為100 mm，有限元模型如圖1所示。為達到較為明顯的撞擊損傷破壞效果，撞擊速度設(shè)置為200 m/s。

對于整體破壞效應(yīng)分析，建立了簡化飛機模型撞擊直徑44 m，殼體厚度為1.5 m的混凝土殼體，以模擬飛機撞擊核電站。殼體共有三種結(jié)構(gòu)形式：1)雙層配筋；2)雙層鋼板含拉筋；3)雙層鋼板不含拉筋。鋼板與鋼筋總質(zhì)量保持一致。飛機的撞擊速度為100 m/s。模型示意圖如圖2所示。

1.2 材料參數(shù)及接觸設(shè)置

混凝土材料所用模型為CSCM[5](MAT#159)，CSCM模型是美國聯(lián)邦公路局(FHWA)針對汽車碰撞作用下高架橋墩防護研究開發(fā)的，通過相乘的方式，實現(xiàn)了硬化壓實面(帽蓋)和剪切破壞面的連續(xù)。該模型參數(shù)輸入簡單，且考慮了混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)，模型參數(shù)如表1所示。鋼板和鋼筋所用材料模型為塑性隨動硬化模型(MAT-PLASTIC-KINEMATIC)，該模型考慮了應(yīng)變率強化效應(yīng)，模型參數(shù)如表2所示。

鋼板與混凝土之間通過共節(jié)點的方式進行連接，鋼筋與混凝土單元間采用拉格朗日耦合約束(CONSTRAINED-LAGRANGE-IN-SOLID)，該方式考慮了鋼筋混凝土間的摩擦滑移作用，使得鋼筋與混凝土共同受力。彈體與靶板的接觸方式為自動點面接觸(CONTACT-AUTOMATIC-NODES-TO-SURFACE)和侵蝕點面接觸(CONTACT-ERODING-NODES-TO-SURFACE)。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼板及鋼筋材料參數(shù)

2 局部破壞效應(yīng)比較

設(shè)置的不同工況及靶板背面的最大撓度如表3所示，當鋼筋間距達到極限時，可以等效認為是鋼板。從表3中可以看出，不同鋼筋間距下靶板的撞擊撓度接近，表明鋼筋間距對于靶板的抗沖擊性能影響較??；侵蝕點面接觸下靶板所產(chǎn)生的撞擊撓度略微大于自動點面接觸下靶板所產(chǎn)生的撞擊撓度；鋼板混凝土靶板在沖擊下所產(chǎn)生的撓度要小于鋼筋混凝土靶板，表明在局部破壞效應(yīng)下，鋼板混凝土靶板的抗沖擊性能要略微強于鋼筋混凝土靶板。

表3 不同工況下的模擬結(jié)果對比

3 整體破壞效應(yīng)比較

3.1 撞擊過程

圖3給出了鋼筋混凝土殼體在飛機撞擊下不同時刻的示意圖。0.1 s時，飛機機頭部分與殼體碰撞，飛機機頭前部發(fā)生壓屈破壞，此時飛機機身機翼和機尾沒有變形，仍然以既定的方向向前飛行；0.2 s時，飛機機身中部與殼體發(fā)生碰撞機翼與機身連接的地方也發(fā)生壓屈破壞，飛機所攜帶的油箱破裂致使燃油拋灑而出；0.3 s時，飛機機身與機翼連接的部位全部破壞，機翼與機身分離，兩側(cè)機翼在慣性的作用下仍然與筒身接觸并發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象；0.4 s時，飛機機翼偏轉(zhuǎn)角度繼續(xù)加大，同時燃油分子在慣性作用下繼續(xù)運動，拋灑面積進一步擴大；0.5 s時飛機機尾殘余速度降為0，飛機機翼此時繞著筒身達到最大偏轉(zhuǎn)角度，同時燃油拋灑面積最大。

3.2 結(jié)果分析

圖4給出了不同結(jié)構(gòu)形式的殼體在飛機撞擊下所產(chǎn)生的最大撓度。從圖4中可以看出，雙層鋼板不含拉筋混凝土殼體產(chǎn)生的撓度最大，最大撓度達到3.18 m。雙層鋼板含拉筋混凝土殼體與鋼筋混凝土殼體在飛機撞擊下的撓度接近，鋼筋混凝土殼體的撞擊撓度要略微大于鋼板(含拉筋)混凝土殼體的撞擊撓度。從圖4中可以看出，在包含拉筋的情況下，鋼板混凝土殼體的抗沖擊性能要略微優(yōu)于鋼筋混凝土，不包含拉筋的情況下，鋼板混凝土殼體的抗沖擊性能要遠低于鋼筋混凝土。

4 結(jié)語

本文對鋼板混凝土和鋼筋混凝土的抗沖擊性能進行了局部破壞效應(yīng)和整體損傷效應(yīng)進行了對比。同時對鋼板混凝土中拉筋對靶板抗沖擊性能的影響進行了分析。結(jié)果表明：

1)無論是整體破壞效應(yīng)還是局部破壞效應(yīng)，鋼板混凝土的抗沖擊性能要略微優(yōu)于鋼筋混凝土。

2)拉筋在鋼板混凝土中起到連接鋼板的作用，對于抗沖擊性能的提升十分明顯。