AP1000結(jié)構(gòu)模塊墻支架連接設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

李 成 劉建衛(wèi) 山 鷹

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海200233）

AP1000結(jié)構(gòu)模塊墻支架連接設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

李 成 劉建衛(wèi) 山 鷹

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海200233）

核島廠房的一大特點(diǎn)是模塊化設(shè)計(jì)，以鋼板-混凝土模塊墻結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。正常情況下，模塊墻上需要布置大量的OLP型預(yù)埋件以連接其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如支撐工藝管道、設(shè)備、操作平臺(tái)等。而對(duì)于承受較小荷載的支架，采用OLP型預(yù)埋件時(shí)，安全裕度過(guò)大。為優(yōu)化設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化施工，提出將支架直接焊接到模塊墻上，通過(guò)計(jì)算分析驗(yàn)證其可行性，并給出支架許用荷載值的判斷公式，該方法優(yōu)化了支架設(shè)計(jì)方法，充分發(fā)揮了材料的強(qiáng)度，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

模塊墻，支架，剪力釘，承載力

在AP1000核島廠房中，為滿(mǎn)足功能和布置要求，需通過(guò)(Overlay plate OLP)型預(yù)埋件將工藝管道、設(shè)備、預(yù)制板等支架連接到模塊墻(鋼板混凝土墻結(jié)構(gòu))上。進(jìn)行支架連接設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)支架根部的荷載選用OLP型預(yù)埋件(圖1)。OLP型預(yù)埋件由錨板、機(jī)械連接件和錨筋組成，在模塊墻鋼面板上預(yù)先鉆孔，機(jī)械連接件穿過(guò)鋼面板將錨板和模塊墻中的錨筋連接起來(lái)發(fā)揮作用。

圖1 OLP型預(yù)埋件示意圖Fig.1 OLP type embedment.

模塊墻與支架的連接設(shè)計(jì)需進(jìn)行預(yù)埋件的設(shè)計(jì)，由于需要在模塊墻上穿孔，因此，模塊墻鋼面板將在局部受到嚴(yán)重削弱。另外，對(duì)于部分工藝管道支架，其承受的荷載較小，采用OLP預(yù)埋件時(shí)，安全裕度過(guò)大，并沒(méi)有充分發(fā)揮預(yù)埋件的作用。對(duì)于此類(lèi)支架，研究將其直接焊接到模塊墻鋼面板上，而將局部的鋼面板連同剪力釘當(dāng)作預(yù)埋件(圖2)，從而充分利用剪力釘?shù)某休d力。通過(guò)分析該特殊“預(yù)埋件”的承載力來(lái)驗(yàn)算是否滿(mǎn)足要求，并給出支架連接的具體驗(yàn)算公式。

圖2 HA型預(yù)埋件示意圖Fig.2 HA type embedment.

1 分析方法

1.1基本方法

核島廠房中的一些大型結(jié)構(gòu)模塊墻均采用14mm厚的鋼面板。鋼面板通過(guò)焊在其內(nèi)表面的剪力釘與混凝土連接，通過(guò)剪力釘使混凝土和鋼面板共同發(fā)揮作用。工藝支架需連接到模塊墻的外表面(圖3)，從局部范圍看，可以將鋼面板和剪力釘組成的體系當(dāng)作HA型預(yù)埋件(大頭栓釘型，圖2)，連接到鋼面板上的構(gòu)件將通過(guò)這一特殊的“預(yù)埋件”將荷載傳遞到混凝土墻體中。焊接到鋼面板上的支架根部荷載即為作用在該預(yù)埋件上的外荷載。

圖3 結(jié)構(gòu)模塊墻示意圖Fig.3 Module wall.

直接焊接到鋼面板上的支架，需驗(yàn)算承載力是否滿(mǎn)足要求。具體方法如下：

按照ACI 349-01[1]附錄B的要求，計(jì)算剪力釘?shù)目估涂辜舫休d力；

使用GTStrudl有限元軟件，計(jì)算單位荷載Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz作用下鋼板的應(yīng)力和剪力釘?shù)膬?nèi)力；

建立包含F(xiàn)x、Fy、Fz、Mx、My和Mz的等式，驗(yàn)算鋼板的抗彎應(yīng)力和剪力釘?shù)某休d力是否滿(mǎn)足要求。其中，根據(jù)ACI 349附錄B，剪力釘?shù)某休d力驗(yàn)算公式如下：

式中，Nu和Vu表示剪力釘承受的拉力和剪力荷載設(shè)計(jì)值，φNn和φVn代表剪力釘?shù)目估涂辜舫休d力。

1.2主要假定

計(jì)算中主要考慮以下假定：

(1) 不考慮支架靠近墻體邊緣布置的情況，邊距較小時(shí)剪力釘?shù)某休d力應(yīng)進(jìn)行折減；

(2) 支架之間不能靠得太近，否則需要考慮剪力破壞錐體重疊部分的影響，剪力釘?shù)某休d力應(yīng)進(jìn)行折減；

(3) 考慮為線(xiàn)性問(wèn)題。即，各種荷載作用下的荷載效應(yīng)可進(jìn)行線(xiàn)性組合。

2 剪力釘計(jì)算

為充分利用結(jié)構(gòu)模塊墻的承載力以直接連接工藝支架等，按照(1.1)節(jié)的分析方法，計(jì)算剪力釘?shù)某休d力和作為連接構(gòu)件已承受的實(shí)際剪力，并根據(jù)規(guī)范推導(dǎo)出剪力釘承載力驗(yàn)算公式。

2.1承載力計(jì)算

模塊墻鋼面板材料分為Q235B碳素鋼(Fy=210 MPa)和A240-S32101雙相不銹鋼(Fy=448 MPa)兩種，本文以Q235B碳鋼面板為例進(jìn)行分析。Q235B鋼面板焊有直徑為19 mm的剪力釘，其頭部直徑為32 mm、長(zhǎng)9.5 mm，有效錨固深度(hef)為138 mm，剪力釘間距為254 mm×254 mm。

根據(jù)ACI 349附錄B對(duì)剪力釘?shù)某休d力進(jìn)行計(jì)算。為反映剪力釘間距的影響，取4個(gè)剪力釘進(jìn)行計(jì)算(圖4)。

圖4 19 mm (直徑) 剪力釘布置圖Fig.4 Configuration of studs (d=19 mm).

經(jīng)計(jì)算，剪力釘?shù)钠茐哪Ｊ骄苫炷量刂?，單個(gè)剪力釘?shù)某休d力如下：

抗剪承載力φVn= 53 kN；

4顆剪力釘排列時(shí)，抗拉承載力φNn=24.7 kN；

單個(gè)剪力釘時(shí)(不考慮其他剪力釘?shù)挠绊?，抗拉承載力φNn= 38.5 kN。

2.2實(shí)際剪力計(jì)算

剪力釘?shù)闹饕饔檬潜ＷC混凝土和鋼面板一起發(fā)揮協(xié)同作用，假定零彎矩點(diǎn)和最大彎矩點(diǎn)之間的距離為跨度的1/4，約2286 mm，據(jù)此可以求得鋼面板屈服時(shí)剪力釘承擔(dān)的實(shí)際剪力：

(1) 局部范圍考慮單個(gè)剪力釘承擔(dān)的剪力：

單個(gè)剪力釘?shù)目辜舫休d力為59.2 kN[2]；

單個(gè)剪力釘?shù)暮奢d附屬面積：

As= 14×254 =3556 mm2；

面板傳遞的剪力為：Q = 339 kN；

剪力釘?shù)臄?shù)量：2286 /254 = 9；

每個(gè)剪力釘實(shí)際的剪力為：

V0=Q/9 =339/9 =37.7 kN <59.2 kN，滿(mǎn)足要求。

(2) 考慮平面內(nèi)抗剪性能時(shí)，此時(shí)剪力釘群與角鋼桁架共同承擔(dān)面板傳遞的所有剪力。

考慮2286 mm ×2286 mm范圍的面板，共有3排角鋼桁架，剪力釘?shù)臄?shù)量為：6×9 =54；

剪力釘?shù)目辜舫休d力為：

V1=54×59.2 =3196.8 kN；

角鋼桁架的抗剪承載力為：V2=2672.4 kN；

剪力釘和角鋼桁架的總承載力：

V =V1+V2=5869.2 kN；

鋼面板傳遞的剪力為：Q0=3052.7 kN；

水平和豎向傳遞的剪力合力：

單個(gè)剪力釘實(shí)際的剪力為：

V0= (V ?Q) / 54 = 28.7 kN。

由此可見(jiàn)，保守考慮，剪力釘已經(jīng)承擔(dān)模塊墻自身傳遞的剪力37.7 kN，且總是大于0.2倍的抗剪承載力值，其余承載力可用于承擔(dān)模塊墻上其他荷載。模塊墻上連接支架時(shí)，代入式(1)–(3)驗(yàn)算剪力釘?shù)某休d力：

Nu> 0.2 φNn，即 Nu> 0.2 ×24.7 =4.94 kN 時(shí)，Nu/24.7 + (Vu+37.7 )/ 53 ≤ 1.2注：如只考慮充分發(fā)揮單個(gè)剪力釘?shù)某休d力，上式變?yōu)椋寒?dāng) Nu> 0.2 ×38.5 = 7.70 kN

如果：Nu≤ 0.2 φNn, 即Nu≤4.9 kN 時(shí)，

3 有限元模型

選取局部碳鋼鋼面板和其上的剪力釘，對(duì)這一特殊“預(yù)埋件”在各種獨(dú)立荷載工況下(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz，大小為1000，單位為lbs和lbs-in，換算為國(guó)標(biāo)單位分別為4448 N和113 N·m）進(jìn)行分析。假定支架為截面尺寸為50 mm ×50 mm的方形管鋼，這也是除了角鋼之外所允許的最小連接件尺寸。模型計(jì)算中選取16顆剪力釘(4×4網(wǎng)格布置)以準(zhǔn)確模擬混凝土的撬起破壞工況?？紤]到支架的位置未知，文分析三種工況，見(jiàn)圖5。

對(duì)于工況A，連接件處于剪力釘群的中心位置；

對(duì)于工況B，管鋼的中心偏離剪力釘群形心線(xiàn)45 mm，距離栓釘1兩個(gè)方向的距離均為32 mm；

對(duì)于工況C，管鋼的中心剛好落在剪力釘?shù)闹行奈恢谩?/p>

圖5 支架連接的三種工況Fig.5 Three cases for stud location.

根據(jù)GTStrudl建立有限元模型，如圖6所示。鋼面板由板單元表示，單元尺寸為14 mm×14 mm，剪力釘由桿單元(構(gòu)件)表示。計(jì)算中，外荷載傳遞到支架上之后，通過(guò)焊縫傳遞到鋼面板上。剪力釘端部設(shè)為固端約束?；炷敛捎脧椈蓡卧M(jìn)行模擬，以模擬其與面板和剪力釘之間的作用。在圖中有限元模型中，鋼面板所在平面為XY平面，X為水平方向，Y為豎向方向，Z為平面外法向方向。

圖6 預(yù)埋件(鋼面板和剪力釘)三維有限元模型Fig.6 3-D FEM model for steel plate and stud.

4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，圖5中編號(hào)為“1–4”4個(gè)剪力釘之外的剪力釘受影響很小。所以可只考慮這4個(gè)剪力釘?shù)淖饔?，在各種荷載工況下，各剪力釘和鋼面板所受的內(nèi)力和應(yīng)力見(jiàn)表1–6。

表1工況A情況下剪力釘?shù)挠?jì)算結(jié)果Table 1 Results of studs for case A.

表2工況B情況下剪力釘?shù)挠?jì)算結(jié)果Table 2 Results of studs for case B.

表3工況C情況下剪力釘?shù)挠?jì)算結(jié)果Table 3 Results of studs for case C.

表4工況A情況下板的計(jì)算結(jié)果Table 4 Results of steel plate for case A.

表5工況B情況下板的計(jì)算結(jié)果Table 5 Results of steel plate for case B.

表6工況C情況下板的計(jì)算結(jié)果Table 6 Results of steel plate for case C.

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮到鋼面板的強(qiáng)度裕度，鋼板的應(yīng)力和變形不是破壞的控制因素，而剪力釘?shù)脑S用荷載值是破壞的關(guān)鍵。

因?yàn)閺哪K鋼面板的外側(cè)很難預(yù)先確定剪力釘?shù)奈恢?，必須假定支架可以直接布置在剪力釘相?duì)應(yīng)位置的鋼面板上。對(duì)比工況A、B和C，通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)工況C起控制作用，并由此確認(rèn)支架的許用荷載值。

對(duì)工況C，根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果和第2節(jié)的剪力釘承載力(使用單個(gè)剪力釘對(duì)應(yīng)的抗拉承載力)可以推導(dǎo)出剪力釘?shù)脑S用荷載值：

在力Fz、彎矩Mx和My作用下剪力釘所受的拉力為：

拉力Nu= Fz×0.937+Mx×12.439+My×12.557,單位：N。

在力Fx、Fy、扭矩Mz作用下剪力釘所受的剪力為(注:Fx和Fy的系數(shù)相同）。

剪力：Vu=×0.201 +Mz×0.039。

將上述剪力釘承受總的拉力和剪力代入式(5)和(6)，可以得到：

如果拉力>7700N，需滿(mǎn)足：

如果拉力≤7700 N，需滿(mǎn)足：

以上各式中，荷載的單位為N和N·m。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，將局部模塊墻鋼面板和剪力釘當(dāng)作預(yù)埋件來(lái)處理是合理可行的。在連接支架的情況下，剪力釘?shù)某休d力起控制作用。

對(duì)比表格1?3，工況B(支架靠近某一剪力釘)情況下剪力釘受到的最大剪力是工況A(支架處于栓釘群的中心)情況下的近2倍。支架越靠近剪力釘，剪力釘?shù)乃艿睦υ酱螅袅︶斢捎谂ぞ匾鸬募袅χ瞪晕⒃龃蟆?/p>

剪力釘在保證模塊墻協(xié)同工作的情況下，還有一定的荷載裕度。對(duì)承受較小荷載的支架，比如大小為84 kN的純拉力荷載、76 kN的純剪力荷載或多種外荷載同時(shí)作用(只要其滿(mǎn)足式(7)和(8))，可以將其直接焊接到鋼面板上。這樣可以大大簡(jiǎn)化支架的根部設(shè)計(jì)，且給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)了很大便利。

對(duì)于2個(gè)(或多個(gè))支架間距較小的情況，剪力釘?shù)目估休d力需進(jìn)行折減。根據(jù)ACI 349-01，保守考慮，可以取0.5的折減系數(shù)。此時(shí)，判斷是否可以直接將支架焊接到模塊墻上的公式為：

如果拉力>3850 N，需滿(mǎn)足：

如果拉力≤ 3850 N，需滿(mǎn)足：

對(duì)使用雙相不銹鋼面板的模塊墻，如果需要在模塊墻上焊接較小支架，可以采用本文方法推導(dǎo)類(lèi)似的荷載公式。

1 American ACI Committee 349, Code Requirements for Nuclear Safety Related Concrete Structures[S], ACI 349-01

2 American National Standard, Specification for the Design, Fabrication and Erection of Steel Safety Related Structures for Nuclear Facilities[S], ANSI/AISC N690-1994

Research on the improvement design for the attachment of supports to AP1000 module wall

LI Cheng LIU Jianwei SHAN Ying
(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background: Modularization is one of the main characteristics for AP1000 nuclear power plant building. The steel-concrete-steel module wall is used instead of reinforced concrete structure wall. Usually, lots of Overlay Plate Embedments will be installed on the module wall to connect and fasten other structures, such as pipes, equipments and operation platforms. As for many supports taking less design loads, the safety margin is too big when using OLP embedment. Purpose: An improvement design will make sense that the supports with less deisn loads can be welded directly to the module wall instead of embedments. Methods: A finite element analysis based on nuclear-related concrete code is carried out. Results: Through analysis, the equations for the allowable design loads of supports to be welded directly to module wall are provided in this paper. Conclusions: The improvement design is proved feasible. In this way, the strength for steel face plate and studs will be utilized fully and this method will facilitate and simplify the design and construction with considerable engineering application value.

Module wall, Supports, Stud, Capacity

TU398，TL364+.9

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040652

李成，男，1984年出生，2009年于河海大學(xué)獲碩士學(xué)位，從事大型先進(jìn)壓水堆國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)模塊化技術(shù)研究

2012-10-31，

2013-01-14

CLC TU398, TL364+.9