鋼板混凝土模塊墻溫度場和應(yīng)力場研究

葉志燕 劉建衛(wèi) 葛鴻輝

（上海核工程研究設(shè)計院 上海 200233）

鋼板混凝土模塊墻溫度場和應(yīng)力場研究

葉志燕 劉建衛(wèi) 葛鴻輝

（上海核工程研究設(shè)計院 上海 200233）

在給定溫度曲線和材料熱工參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用三維實體單元建立鋼板混凝土墻體有限元模型，進行瞬態(tài)熱分析和熱應(yīng)力分析。計算結(jié)果表明，不銹鋼面板與混凝土間、剪力釘與混凝土間的溫度梯度隨著時間先變大再變??；墻體截面的熱應(yīng)力增量隨著時間逐漸變小。這為鋼板混凝土模塊墻的高溫力學(xué)性能及承載力研究提供參考。

鋼板混凝土，有限元模型，溫度梯度，熱應(yīng)力

鋼板混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，主要由鋼面板、角鋼、槽鋼、剪力釘和混凝土等組成，如圖1所示。角鋼和槽鋼組成鋼桁架，作為鋼面板的平面外支撐；剪力釘?shù)淖饔檬鞘逛撁姘搴突炷羺f(xié)同工作。這種結(jié)構(gòu)形式用鋼板代替鋼筋并作為混凝土模板，可以實現(xiàn)平行施工，縮短建設(shè)工期，降低工程綜合造價,主要應(yīng)用于第三代核電廠[1]。鋼板混凝土結(jié)構(gòu)還具有抗側(cè)剛度大、墻體薄、承載力高、延性好等優(yōu)點[2]。日本對鋼板混凝土結(jié)構(gòu)進行大量常溫條件下的試驗及理論研究，并形成了抗震設(shè)計導(dǎo)則[3]。國內(nèi)對鋼板混凝土結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，目前清華大學(xué)已經(jīng)完成了常溫下鋼板混凝土剪力墻的靜力抗震性能試驗，并開展了理論研究和數(shù)值模擬。由于試驗條件所限，國際國內(nèi)尚未對鋼板混凝土結(jié)構(gòu)在高溫條件下的力學(xué)性能及極限承載力進行研究。鋼板混凝土結(jié)構(gòu)在高溫條件下的性能成為影響這一結(jié)構(gòu)形式在核電廠應(yīng)用的關(guān)鍵。鋼板混凝土結(jié)構(gòu)在高溫條件下溫度場和應(yīng)力場分布的準確性對于確定鋼板混凝土結(jié)構(gòu)的高溫條件下力學(xué)性能研究有著重要的意義。

為了研究鋼板混凝土墻體溫度場的分布，美國學(xué)者采用二維單元PLANE55進行鋼板混凝土墻體溫度場的分析。但是二維單元不能準確模擬角鋼、槽鋼、剪力釘對墻體溫度場分布的影響。為了研究高溫下鋼板混凝土各組成部件的溫度場和應(yīng)力場的分布，根據(jù)核電廠鋼板混凝土模塊的構(gòu)造，從鋼板混凝土模塊墻上選取一片長度為762 mm、寬度為762 mm、高度為2438 mm的典型墻體為研究對象，采用三維實體單元建立有限元模型，根據(jù)已經(jīng)確定的材料熱工參數(shù)和溫度曲線，進行瞬態(tài)熱分析和熱應(yīng)力分析，為了得到墻體截面的溫度場和應(yīng)力場隨時間的變化規(guī)律。

圖1 典型鋼板混凝土墻Fig.1 Typical steel concrete wall.

1 有限元模型

1.1升溫曲線

在第三代核電廠中，安全殼內(nèi)置換料水箱(IRWST)是非能動安全注射系統(tǒng)的主要組成部分，由鋼板混凝土模塊墻和鋼結(jié)構(gòu)墻體圍成，如圖2所示。根據(jù)失水事故分析結(jié)果，在LOCA事故下，反應(yīng)堆的衰變熱是通過熱交換器傳遞給安全殼內(nèi)置換料水箱中的換料水，水溫度由10°C升至128°C，水溫度隨時間的變化曲線如圖3所示[1]。這條溫度曲線作為溫度場和應(yīng)力場計算的依據(jù)。

圖2 IRWST位置圖Fig.2 Location of IRWST.

圖3 時間-溫度曲線Fig.3 Time-temperature curve.

1.2熱傳導(dǎo)方式與邊界條件

在事故工況下，換料水箱中的換料水與模塊墻（鋼板混凝土）間的傳熱方式主要是熱傳導(dǎo)和對流，而模塊墻中各部分以導(dǎo)熱方式傳遞熱量。

在事故發(fā)生前，模塊墻與周圍環(huán)境具有相同的溫度，且可認為整個鋼板混凝土模塊墻截面的溫度是均勻分布。在事故工況下，換料水與模塊墻間出現(xiàn)熱量傳遞，該過程為瞬態(tài)傳熱，平衡方程可表示為：

其中，[C]為比熱矩陣，{T}為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)，[K]為傳導(dǎo)矩陣，{T}為節(jié)點溫度向量，{Q}為節(jié)點熱流率向量[4]。

當(dāng)換料水的溫度為已知時，該傳熱過程的邊界條件屬于第三類，需滿足平衡方程：

其中，k為導(dǎo)熱系數(shù)，α為對流傳熱系數(shù)，Tf為環(huán)境溫度[4]。

1.3材料熱工參數(shù)

材料的熱工參數(shù)是求解溫度場的重要前提條件之一，熱分析所需要的材料參數(shù)包括鋼材和混凝土的傳熱系數(shù)、密度、比熱等[5?7]。鋼板混凝土墻中材料的熱工參數(shù)見表1。

表1 材料的熱工參數(shù)Table 1 Thermal parameters of materials.

1.4單元類型及約束情況

為了準確模擬模塊墻中各部分的溫度場分布，鋼面板、角鋼、槽鋼、剪力釘和混凝土均采用三維實體單元solid70。進行應(yīng)力場分析時，將solid70單元轉(zhuǎn)換為solid45單元[8]。在有限元模型中，混凝土與鋼面板、角鋼、槽鋼、剪力釘之間通過共用節(jié)點實現(xiàn)剛接。

在LOCA事故下，鋼板混凝土墻的不銹鋼面板與換料水進行熱傳導(dǎo)，其對流系數(shù)是隨溫度變化。為了簡化分析，假定對流系數(shù)為常數(shù)，取為98.135 W·m?2·°C?1)[5]。鋼板混凝土墻體的三維有限元模型如圖4所示。

進行熱應(yīng)力分析時，模塊墻的底部為固定約束，頂部為自由面。為了模擬墻體的連續(xù)性，墻體所在平面的左右兩端面為對稱約束。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model.

2 有限元結(jié)果

基于上述的溫度曲線和有限元模型，進行瞬態(tài)熱分析。t=3600 s和t=43200 s時，鋼板混凝土模塊墻的溫度分布如圖5所示。由圖5可知，鋼面板、角鋼的升溫速度要大于混凝土。t=43200 s時，鋼面板、角鋼、槽鋼、剪力釘?shù)臏囟确植既鐖D6所示。由圖6可知，伸入混凝土越深，槽鋼和剪力釘?shù)臏囟染驮降汀＿@是因為混凝土和鋼材具有不同的熱工性能。在升溫過程中，由于混凝土升溫慢，鋼材升溫快，出現(xiàn)混凝土對鋼材“冷卻”的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致溫度梯度最大值所在的位置隨著時間發(fā)生變化。

當(dāng)t=3600 s和t=43200 s時，鋼板混凝土截面的溫度梯度如圖7所示，這是反應(yīng)溫度變化率的一個重要指標。在整個升溫過程，不銹鋼面板與混凝土間、剪力釘與混凝土間的溫度梯度變化曲線如圖8所示。由圖8可知，溫度梯度隨著時間先變大再變小。這是因為靠近不銹鋼面板的混凝土溫度隨著時間逐漸升高，導(dǎo)致溫度梯度逐漸變小。

根據(jù)溫度場的分析結(jié)果，進行鋼板混凝土模塊墻的熱應(yīng)力分析。當(dāng)t=43200 s時，鋼面板和剪力釘?shù)腣on Mises應(yīng)力如圖9所示，混凝土的第一主應(yīng)力如圖10所示。在整個升溫過程，鋼面板和剪力釘?shù)腣on Mises應(yīng)力及混凝土第一主應(yīng)力隨時間變化曲線如圖11所示。熱應(yīng)力隨著時間逐漸增大，增速逐漸變緩。這是因為溫度梯度隨著時間先變大再變小，導(dǎo)致熱應(yīng)力的增速變緩。

圖5 t=3600 s(a)和t=43200 s(b)時鋼板混凝土墻體溫度分布Fig.5 Steel concrete wall temperature distribution at t=3600 s(a) and t=43200 s(b).

圖6 t=43200 s時鋼面板、角鋼、槽鋼、剪力釘溫度分布Fig.6 Steel plate, angle, channel, stud temperature distribution at t=43200 s.

圖7 t=3600 s(a)和t=43200 s(b)時鋼板混凝土墻體截面溫度梯度分布Fig.7 Steel concrete wall section temperature gradientdistribution at t=3600 s(a) and t=43200 s(b).

圖8 時間-溫度梯度曲線Fig.8 Time-temperature gradient curve.

圖9 t=43200 s時鋼板和剪力釘?shù)膽?yīng)力分布Fig.9 Steel plate and stud stress distribution at t=43200 s.

圖10 t=43200 s時混凝土的第一主應(yīng)力分布Fig.10 Concrete first principal stress distribution at t=43200 s.

圖11 時間-應(yīng)力曲線Fig.11 Time-stress curve.

3 結(jié)語

鋼板混凝土剪力墻具有延性好、剛度大、方便施工和縮短建造工期等優(yōu)點，在第三代核電廠中具有廣闊的應(yīng)用前景。為了研究鋼板混凝土墻體在高溫條件下的力學(xué)性能及承載力，本文在給定溫度曲線和材料熱工參數(shù)的條件下，取一片典型的鋼板混凝土墻體為研究對象，采用三維實體單元進行瞬態(tài)熱分析和熱應(yīng)力分析。通過瞬態(tài)熱分析可知，由于混凝土和鋼材的熱工性能相差較大，導(dǎo)致截面溫度分布出現(xiàn)差異，不銹鋼面板和混凝土間、剪力釘與混凝土間的溫度梯度隨著時間是先變大再變小。在瞬態(tài)熱分析的基礎(chǔ)上，進行熱應(yīng)力分析。結(jié)果表明：鋼板混凝土墻體截面的熱應(yīng)力是逐漸增大，5小時之后，熱應(yīng)力的增速逐漸變??；最大溫度應(yīng)力出現(xiàn)在鋼面板的底部。在工程中，當(dāng)鋼板混凝土墻體的底部采用剛性連接時，應(yīng)采取可靠的措施，防止鋼面板在高溫下發(fā)生屈曲。在整個時間過程，剪力釘?shù)臒釕?yīng)力要大于鋼面板的熱應(yīng)力。因此，在設(shè)計剪力釘時，需要考慮溫度應(yīng)力的影響。

鋼板混凝土作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，還有許多問題尚待研究。在鋼板混凝土剪力墻溫度場和應(yīng)力場試驗和理論研究的基礎(chǔ)上，提出事故工況下鋼板混凝土考慮溫度變化的承載力計算方法，同時完善剪力釘、角鋼和槽鋼的設(shè)計方法及墻體和周圍構(gòu)件的連接方式，克服熱效應(yīng)的影響，提高鋼板混凝土結(jié)構(gòu)在核電廠中的應(yīng)用范圍。

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Study on the temperature and stress field of steel concrete modular wall

YE Zhiyan LIU Jianwei GE Honghui
(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Steel plate reinforced concrete structure has small thickness, high capacity and high ductility, which is mainly used in nuclear power reactor facilities. Due to test condition, the mechanical properties and ultimate capacity of steel concrete structure under high temperature is little studied. The properties of steel concrete structure under high temperature have significant effect on application in nuclear power. It is necessary to study the properties of steel concrete structure under high temperature. Purpose: This article is to study the temperature and stress field distribution of steel concrete wall under high temperature. Methods: Based on the determination of temperature curve and material thermal properties, a finite element model of steel concrete wall was established using 3-D solid element, transient temperature and thermal stress analysis were carried out. Results: Temperature gradient between stainless steel plate and concrete and between stud and concrete increases with time, then declines, and increment of thermal stress of wall section become smaller gradually with time. The maximum first principle stress of concrete is larger than cracking stress. Conclusions: Thermal stress has significant effect on mechanical properties of steel concrete wall, and shall be considered in designing the steel concrete structure.

Steel concrete, Finite element model, Temperature gradient, Thermal stress

TU312

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040662

葉志燕，男，1985年出生，2010年于同濟大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要從事核電廠模塊化布置及設(shè)計

2012-10-31，

2012-11-30

CLC TU312