AP1000墙体模块在混凝土分层浇筑过程中的变形研究

冮传鹏，王庆华，封雷，代帅

（1.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130061；2.国核工程有限公司，上海 201100）

AP1000墙体模块在混凝土分层浇筑过程中的变形研究

冮传鹏1，王庆华1，封雷1，代帅2

（1.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130061；2.国核工程有限公司，上海 201100）

AP1000核工程中的墙体模块采用的是钢板-混凝土组合结构。安装核电设备要求墙体钢板变形不超过3 mm，试验研究了分层浇筑自密实混凝土对钢板的侧压力与浇筑高度的关系，在此基础上应用Abaqus有限元分析软件对墙体模块中的钢板及其连接杆件的应力和位移等进行了模拟分析，研究了钢板厚度、角钢加劲肋间距以及槽钢拉结杆间距对结构模块变形的影响，为结构模块墙体的优化设计提出建议，并为其后续施工提供参考。

AP1000墙体模块；钢板混凝土结构；侧压力；应力；位移

0 引言

AP1000是一种先进的非能动型压水堆核电技术。AP1000核工程使用模块化建造方法，将其结构模块进行工厂化预制和现场拼装、组焊、整体吊装，大幅缩短了建设工期，有效提高了工程质量。

结构模块包括墙体子模块和楼板子模块，墙体模块通常由钢板、角钢加劲肋和槽钢拉结杆等组成墙体框架，然后在框架中浇筑自密实混凝土（SCC）形成。AP1000核电工程的设备安装要求墙体模块中钢板的变形不超过3 mm，但自密实混凝土具有较大的流动性和较长的凝结时间，浇筑后对钢板产生比普通混凝土大得多的侧压力，可能导致钢板变形过大不利于设备的安装。本文在研究自密实混凝土浇筑过程中对模板产生的侧压力与混凝土凝结时间关系的基础上，利用Abaqus有限元分析软件模拟分析了墙体模块中钢板厚度、竖向角钢加劲肋间距及槽钢拉结杆间距等与模块变形之间的关系，为墙体模块的设计与施工提供依据。

1 自密实混凝土侧压力试验研究

利用有限元软件Abaqus模拟分析墙体模块的应力和位移时，需要了解混凝土浇筑过程中对钢板产生的最大侧压力。因此，在参考CCES 02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》和CECS 203—2006《自密实混凝土应用技术规程》的基础上，进行了自密实混凝土的浇筑试验，以得到自密实混凝土对模板侧压力与每层浇筑高度的关系。混凝土配合比为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（粗骨料）∶m（砂）∶m（水）∶m（外加剂）=293∶158∶879∶845∶185∶4.64。

在高度为2 m的墙体模型中分层浇筑混凝土，每层浇筑0.5 m，待初凝后浇筑下一层，自模板底部开始每隔0.5 m布置1个压力盒（量程50 kPa，精度0.05 kPa），共布置4个。试验共进行3次，得到每层自密实混凝土最大侧压力与浇筑高度的关系曲线，如图1所示。

从图1可以看出：

（1）当浇筑第1层SCC时，模板底部产生的侧压力最大，其范围为4.0～7.2 kPa。若按液体压强公式P=γ×h计算，模板底部压力为12 kPa（简称液压值），因此，模板底部试验值占液压值的33.3%～60.0%，其中混凝土重度γ取24 kN/m3[1]，h为每层的浇筑高度。

图1 混凝土对模板的侧压力与高度关系曲线

（2）浇筑第2层SCC时，模板底部的侧压力范围是2.2～ 7.2 kPa，0.5 m高度处的侧压力最大，其范围是6.8～9.3 kPa，占液压值的56.6%～77.5%。

（3）浇筑第3层SCC时，模板底部产生的侧压力已经很小，其范围是0～2.3 kPa，0.5 m高度处的侧压力范围是4.5～ 6.3 kPa，1.0 m高度处的侧压力最大，最大值的范围是6.1～8.3 kPa，占液压值的50.8%～69.2%。

（4）浇筑第4层SCC时，模板底部产生的侧压力是0～1.2 kPa，基本可以忽略，0.5 m高度处是1.4～2.1 kPa，也很小，1.0 m高度处的侧压力范围是2.3～4.4 kPa，1.5 m高度处的侧压力最大，为3.2～8.1 kPa，占液压值的26.7%～67.5%。

（5）每层混凝土浇筑时，其侧压力沿高度方向均呈线性变化，且自其底部向上，侧压力逐渐减小。混凝土凝结后在其上层浇筑混凝土时，最大侧压力出现在浇筑当前层的底部，数值为液压值的30%～80%，此时，先期凝结的混凝土侧压力降低。

2 墙体模块有限元分析模型的建立

图2 模块墙体示意

墙体模块由钢板、角钢立柱和槽钢拉结杆等组成（见图2），其两端部的钢板上未设置角钢立柱和槽钢拉结杆，在钢板内侧焊有铆钉以加强其与混凝土之间的粘结。利用有限元软件Abaqus建立墙体模块分析模型，并以试验得到的混凝土侧压力与浇筑高度的关系作为加载条件，对墙体中各个构件的应力与位移进行模拟分析。

2.1 模拟试件的规格和尺寸

为研究钢板厚度、竖向角钢加劲肋间距以及槽钢拉结杆间距对墙体模块的侧压力与变形的影响，设计了7个不同参数的墙体试件（见表1）。其中基本试件定义为Base，即按照AP1000实际工程的墙体模块CA20建立的基本模型[1]，其尺寸及相关参数为：墙体高15 m，长5 m，厚1.219 m（包含板厚）；钢板采用Q235B国标碳钢，厚度14 mm；角钢选用∟100×80×10，竖向布置，间距为762 mm；槽钢选用[14B，长度1191 mm，间距为1219 mm。由于铆钉对于结构模块墙体的侧向变形影响相对较小，故在建立模型（见图3）时未考虑销钉的作用。在Base试件的基础上通过改变钢板厚度（GBH1、GBH2）、角钢间距（JGJ1、JGJ2）、以及槽钢间距（CGJ1、CGJ2）等参数得到其余6个模拟试件。

表1 模拟试件参数

图3 Base试件有限元模型

2.2 钢材的本构模型

材料的本构关系一般以未变形材料截面的名义应力和应变σnom、εnom来表达，而在材料受力发生变形时，再用σnom、εnom就不能准确描述材料的应力-应变关系。在 Abaqus中定义塑性材料时，需输入真实应力σtrue、εtrue，其与名义应力、应变的关系为[2]：

此时，需要输入的是材料的应力和对应的塑性应变值而不是总应变值，塑性应变值等于总应变值减去弹性应变值。钢材的密度取7800 kg/m3，泊松比取0.3，弹性模量取210 GPa。钢材的本构关系选用Von Mises模型，应力-应变曲线见图4。

图4 钢材的应力-应变曲线

2.3 单元类型及网格划分

钢板、角钢和槽钢的单元类型均为实体单元（8节点线性六面体单元C3D8R），并采用减缩积分。钢板和型钢之间约束关系为绑定约束（Tie），钢板与型钢底部的约束条件为完全固定（Encastre），没有平动和转动位移。网格划分采用逐渐减小网格密度的方法，直到2次结果相差不大，认为是最合适的网格密度[2]。本文中网格尺寸取0.5 m，网格划分见图5。

图5 网格划分

2.4 模型加载条件

根据前述的试验结果，分层浇筑的过程中，自密实混凝土对模板的最大侧压力值为液压值的80%，即80%γh。若分层浇筑，每次浇筑5 m，则最大压力为96 kPa，此外，对于某一层混凝土，尽管初凝后对模板侧压力逐渐减小，但其侧压力值明显受到新浇混凝土的影响，为此，设置3个分析步（step）来建立钢板的加载条件（见图6），每个分析步代表浇筑1层自密实混凝土。加载时同时考虑了钢构件的自重。

3 有限元模拟结果及分析

对Base试件在给定加载条件下进行模拟分析，各个分析步钢板的应力云图如图7所示。

图6 各个分析步的加载条件

图7 Base试件钢板的应力云图

从图7可以看出：模块的最大应力出现在槽钢拉结杆，其值为114.8 MPa，最大位移为4.16 mm；钢板的最大应力为12.56 MPa，最大位移为0.58 mm；角钢立柱的应力和位移均小于槽钢，对墙体受力和变形影响很小，故仅对槽钢和钢板的应力和位移情况进行分析。由于墙体模块端部的钢板并没有设置角钢加劲肋和横向槽钢拉结杆以及结构自身重力的影响，钢板最大应力出现在墙体端部钢板底部的位置。其余试件的最大应力和变形的模拟结果及与Base试件的对比情况如图8所示。

图8 试件最大应力及最大位移

由图8（a）、（d）可看出，钢板厚度从14 mm减小到12 mm时，槽钢和钢板的应力和位移变化显著，其应力分别增加了54.9%和121%；位移分别增加了54.8%和31.0%；钢板厚度从12 mm减小到10 mm时，槽钢的应力和位移均有所减小，但相差不大，变化幅度均为1.86%；钢板的应力增加幅度为17.9%，但其位移变化不大，为2.63%；模拟的3种厚度钢板的位移最大值0.74 mm，最小值为0.58 mm，均未超过限值3 mm，可满足要求。

由图8（b）、（e）可看出，当角钢的间距由762 mm增加到1000 mm时，槽钢拉结杆的应力和位移变化不大，分别增加了14.5%和14.4%，钢板的应力和位移增加明显，分别增加了35.5%和160%；因此，角钢间距的变化对钢板影响很大；当角钢间距由1000 mm增加到1250 mm时，槽钢和钢板的应力和位移均有明显的增加，并且槽钢的应力已经达到屈服强度210 MPa，位移达到了9.79 mm，因此角钢立柱的间距建议不要超过1000 mm。

由图8（c）、（f）可看出，当槽钢间距由1219 mm增加到1500 mm时，槽钢的应力和位移的变化幅度均为19.5%；钢板的应力和位移变化幅度分别为26.8%和27.6%，槽钢间距的变化对钢板影响也较大；当槽钢间距由1500 mm增加到1800 mm时，槽钢的应力已经达到其屈服强度210 MPa，位移达到了9.83mm，因此槽钢间距可适当增大，但不要超过1500mm。

4 结语

（1）在浇筑过程中，自密实混凝土侧压力沿高度方向呈线性变化，且自其底部向上，侧压力逐渐减小；分层浇筑时，最大侧压力出现在浇筑当前层的底部，为液压值的30%～80%，先期凝结的混凝土侧压力降低。

（2）角钢立柱、槽钢拉结杆间距以及钢板厚度对结构模块墙体的变形均有显著的影响，角钢和槽钢拉结杆的设置能有效增加结构模块墙体的抗侧刚度，减小钢板的变形。当钢板厚度由14 mm减小到12 mm时，钢板位移增加了31%；当角钢间距由726 mm增大到1250 mm时，即角钢间距增大了72%后，钢板位移增大了260%，且角钢间距超过1000 mm后，槽钢的应力已经超过其屈服强度；当槽钢间距由1219 mm增加到1800 mm时，对应的钢板位移增大了126%，虽然钢板的变形未超过3 mm的控制要求，但槽钢的应力已经超过其屈服强度。

（3）AP1000实际工程中角钢立柱间距、槽钢拉结杆间距以及自密实混凝土每层浇筑高度都偏于保守，可适当增大；在每层浇筑高度取5 m情况下，角钢立柱的间距不要超过1000 mm，槽钢拉结杆的间距不要超过1500 mm，钢板厚度不小于10 mm。

[1] 沈平华.自密实混凝土在AP1000核电项目中的应用[J].山西建筑，2015，40（8）：123-125.

[2] 朱晓蓉.钢框架双钢板内填混凝土剪力墙抗剪性能研究[J].苏州科技学院学报：工程技术版，2015，28（2）：31-35.

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

GANG Chuanpeng1，WANG Qinghua1，FENG 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

冮传鹏，男，1992年生，辽宁本溪人，硕士研究生。