AP1000结构模块墙支架连接设计优化研究

李 成 刘建卫 山 鹰

（上海核工程研究设计院 上海200233）

AP1000结构模块墙支架连接设计优化研究

李 成 刘建卫 山 鹰

（上海核工程研究设计院 上海200233）

核岛厂房的一大特点是模块化设计，以钢板-混凝土模块墙结构取代传统的钢筋混凝土结构。正常情况下，模块墙上需要布置大量的OLP型预埋件以连接其它结构构件，如支撑工艺管道、设备、操作平台等。而对于承受较小荷载的支架，采用OLP型预埋件时，安全裕度过大。为优化设计和简化施工，提出将支架直接焊接到模块墙上，通过计算分析验证其可行性，并给出支架许用荷载值的判断公式，该方法优化了支架设计方法，充分发挥了材料的强度，具有较强的工程应用价值。

模块墙，支架，剪力钉，承载力

在AP1000核岛厂房中，为满足功能和布置要求，需通过(Overlay plate OLP)型预埋件将工艺管道、设备、预制板等支架连接到模块墙(钢板混凝土墙结构)上。进行支架连接设计时，根据支架根部的荷载选用OLP型预埋件(图1)。OLP型预埋件由锚板、机械连接件和锚筋组成，在模块墙钢面板上预先钻孔，机械连接件穿过钢面板将锚板和模块墙中的锚筋连接起来发挥作用。

图1 OLP型预埋件示意图Fig.1 OLP type embedment.

模块墙与支架的连接设计需进行预埋件的设计，由于需要在模块墙上穿孔，因此，模块墙钢面板将在局部受到严重削弱。另外，对于部分工艺管道支架，其承受的荷载较小，采用OLP预埋件时，安全裕度过大，并没有充分发挥预埋件的作用。对于此类支架，研究将其直接焊接到模块墙钢面板上，而将局部的钢面板连同剪力钉当作预埋件(图2)，从而充分利用剪力钉的承载力。通过分析该特殊“预埋件”的承载力来验算是否满足要求，并给出支架连接的具体验算公式。

图2 HA型预埋件示意图Fig.2 HA type embedment.

1 分析方法

1.1基本方法

核岛厂房中的一些大型结构模块墙均采用14mm厚的钢面板。钢面板通过焊在其内表面的剪力钉与混凝土连接，通过剪力钉使混凝土和钢面板共同发挥作用。工艺支架需连接到模块墙的外表面(图3)，从局部范围看，可以将钢面板和剪力钉组成的体系当作HA型预埋件(大头栓钉型，图2)，连接到钢面板上的构件将通过这一特殊的“预埋件”将荷载传递到混凝土墙体中。焊接到钢面板上的支架根部荷载即为作用在该预埋件上的外荷载。

图3 结构模块墙示意图Fig.3 Module wall.

直接焊接到钢面板上的支架，需验算承载力是否满足要求。具体方法如下：

按照ACI 349-01[1]附录B的要求，计算剪力钉的抗拉和抗剪承载力；

使用GTStrudl有限元软件，计算单位荷载Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz作用下钢板的应力和剪力钉的内力；

建立包含Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz的等式，验算钢板的抗弯应力和剪力钉的承载力是否满足要求。其中，根据ACI 349附录B，剪力钉的承载力验算公式如下：

式中，Nu和Vu表示剪力钉承受的拉力和剪力荷载设计值，φNn和φVn代表剪力钉的抗拉和抗剪承载力。

1.2主要假定

计算中主要考虑以下假定：

(1) 不考虑支架靠近墙体边缘布置的情况，边距较小时剪力钉的承载力应进行折减；

(2) 支架之间不能靠得太近，否则需要考虑剪力破坏锥体重叠部分的影响，剪力钉的承载力应进行折减；

(3) 考虑为线性问题。即，各种荷载作用下的荷载效应可进行线性组合。

2 剪力钉计算

为充分利用结构模块墙的承载力以直接连接工艺支架等，按照(1.1)节的分析方法，计算剪力钉的承载力和作为连接构件已承受的实际剪力，并根据规范推导出剪力钉承载力验算公式。

2.1承载力计算

模块墙钢面板材料分为Q235B碳素钢(Fy=210 MPa)和A240-S32101双相不锈钢(Fy=448 MPa)两种，本文以Q235B碳钢面板为例进行分析。Q235B钢面板焊有直径为19 mm的剪力钉，其头部直径为32 mm、长9.5 mm，有效锚固深度(hef)为138 mm，剪力钉间距为254 mm×254 mm。

根据ACI 349附录B对剪力钉的承载力进行计算。为反映剪力钉间距的影响，取4个剪力钉进行计算(图4)。

图4 19 mm (直径) 剪力钉布置图Fig.4 Configuration of studs (d=19 mm).

经计算，剪力钉的破坏模式均由混凝土控制，单个剪力钉的承载力如下：

抗剪承载力φVn= 53 kN；

4颗剪力钉排列时，抗拉承载力φNn=24.7 kN；

单个剪力钉时(不考虑其他剪力钉的影响)，抗拉承载力φNn= 38.5 kN。

2.2实际剪力计算

剪力钉的主要作用是保证混凝土和钢面板一起发挥协同作用，假定零弯矩点和最大弯矩点之间的距离为跨度的1/4，约2286 mm，据此可以求得钢面板屈服时剪力钉承担的实际剪力：

(1) 局部范围考虑单个剪力钉承担的剪力：

单个剪力钉的抗剪承载力为59.2 kN[2]；

单个剪力钉的荷载附属面积：

As= 14×254 =3556 mm2；

面板传递的剪力为：Q = 339 kN；

剪力钉的数量：2286 /254 = 9；

每个剪力钉实际的剪力为：

V0=Q/9 =339/9 =37.7 kN <59.2 kN，满足要求。

(2) 考虑平面内抗剪性能时，此时剪力钉群与角钢桁架共同承担面板传递的所有剪力。

考虑2286 mm ×2286 mm范围的面板，共有3排角钢桁架，剪力钉的数量为：6×9 =54；

剪力钉的抗剪承载力为：

V1=54×59.2 =3196.8 kN；

角钢桁架的抗剪承载力为：V2=2672.4 kN；

剪力钉和角钢桁架的总承载力：

V =V1+V2=5869.2 kN；

钢面板传递的剪力为：Q0=3052.7 kN；

水平和竖向传递的剪力合力：

单个剪力钉实际的剪力为：

V0= (V −Q) / 54 = 28.7 kN。

由此可见，保守考虑，剪力钉已经承担模块墙自身传递的剪力37.7 kN，且总是大于0.2倍的抗剪承载力值，其余承载力可用于承担模块墙上其他荷载。模块墙上连接支架时，代入式(1)–(3)验算剪力钉的承载力：

Nu> 0.2 φNn，即 Nu> 0.2 ×24.7 =4.94 kN 时，Nu/24.7 + (Vu+37.7 )/ 53 ≤ 1.2注：如只考虑充分发挥单个剪力钉的承载力，上式变为：当 Nu> 0.2 ×38.5 = 7.70 kN

如果：Nu≤ 0.2 φNn, 即Nu≤4.9 kN 时，

3 有限元模型

选取局部碳钢钢面板和其上的剪力钉，对这一特殊“预埋件”在各种独立荷载工况下(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz，大小为1000，单位为lbs和lbs-in，换算为国标单位分别为4448 N和113 N·m）进行分析。假定支架为截面尺寸为50 mm ×50 mm的方形管钢，这也是除了角钢之外所允许的最小连接件尺寸。模型计算中选取16颗剪力钉(4×4网格布置)以准确模拟混凝土的撬起破坏工况。考虑到支架的位置未知，文分析三种工况，见图5。

对于工况A，连接件处于剪力钉群的中心位置；

对于工况B，管钢的中心偏离剪力钉群形心线45 mm，距离栓钉1两个方向的距离均为32 mm；

对于工况C，管钢的中心刚好落在剪力钉的中心位置。

图5 支架连接的三种工况Fig.5 Three cases for stud location.

根据GTStrudl建立有限元模型，如图6所示。钢面板由板单元表示，单元尺寸为14 mm×14 mm，剪力钉由杆单元(构件)表示。计算中，外荷载传递到支架上之后，通过焊缝传递到钢面板上。剪力钉端部设为固端约束。混凝土采用弹簧单元进行模拟，以模拟其与面板和剪力钉之间的作用。在图中有限元模型中，钢面板所在平面为XY平面，X为水平方向，Y为竖向方向，Z为平面外法向方向。

图6 预埋件(钢面板和剪力钉)三维有限元模型Fig.6 3-D FEM model for steel plate and stud.

4 计算结果

根据计算结果，图5中编号为“1–4”4个剪力钉之外的剪力钉受影响很小。所以可只考虑这4个剪力钉的作用，在各种荷载工况下，各剪力钉和钢面板所受的内力和应力见表1–6。

表1工况A情况下剪力钉的计算结果Table 1 Results of studs for case A.

表2工况B情况下剪力钉的计算结果Table 2 Results of studs for case B.

表3工况C情况下剪力钉的计算结果Table 3 Results of studs for case C.

表4工况A情况下板的计算结果Table 4 Results of steel plate for case A.

表5工况B情况下板的计算结果Table 5 Results of steel plate for case B.

表6工况C情况下板的计算结果Table 6 Results of steel plate for case C.

根据以上计算结果，考虑到钢面板的强度裕度，钢板的应力和变形不是破坏的控制因素，而剪力钉的许用荷载值是破坏的关键。

因为从模块钢面板的外侧很难预先确定剪力钉的位置，必须假定支架可以直接布置在剪力钉相对应位置的钢面板上。对比工况A、B和C，通过计算可以发现工况C起控制作用，并由此确认支架的许用荷载值。

对工况C，根据表3的计算结果和第2节的剪力钉承载力(使用单个剪力钉对应的抗拉承载力)可以推导出剪力钉的许用荷载值：

在力Fz、弯矩Mx和My作用下剪力钉所受的拉力为：

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

在力Fx、Fy、扭矩Mz作用下剪力钉所受的剪力为(注:Fx和Fy的系数相同）。

剪力：Vu=×0.201 +Mz×0.039。

将上述剪力钉承受总的拉力和剪力代入式(5)和(6)，可以得到：

如果拉力>7700N，需满足：

如果拉力≤7700 N，需满足：

以上各式中，荷载的单位为N和N·m。

5 结语

通过上述分析，将局部模块墙钢面板和剪力钉当作预埋件来处理是合理可行的。在连接支架的情况下，剪力钉的承载力起控制作用。

对比表格1−3，工况B(支架靠近某一剪力钉)情况下剪力钉受到的最大剪力是工况A(支架处于栓钉群的中心)情况下的近2倍。支架越靠近剪力钉，剪力钉的所受的拉力越大，而剪力钉由于扭矩引起的剪力值稍微增大。

剪力钉在保证模块墙协同工作的情况下，还有一定的荷载裕度。对承受较小荷载的支架，比如大小为84 kN的纯拉力荷载、76 kN的纯剪力荷载或多种外荷载同时作用(只要其满足式(7)和(8))，可以将其直接焊接到钢面板上。这样可以大大简化支架的根部设计，且给现场施工带来了很大便利。

对于2个(或多个)支架间距较小的情况，剪力钉的抗拉承载力需进行折减。根据ACI 349-01，保守考虑，可以取0.5的折减系数。此时，判断是否可以直接将支架焊接到模块墙上的公式为：

如果拉力>3850 N，需满足：

如果拉力≤ 3850 N，需满足：

对使用双相不锈钢面板的模块墙，如果需要在模块墙上焊接较小支架，可以采用本文方法推导类似的荷载公式。

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年于河海大学获硕士学位，从事大型先进压水堆国家重大专项模块化技术研究

2012-10-31，

2013-01-14

CLC TU398, TL364+.9