钢板混凝土模块墙温度场和应力场研究

叶志燕 刘建卫 葛鸿辉

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

钢板混凝土模块墙温度场和应力场研究

叶志燕 刘建卫 葛鸿辉

（上海核工程研究设计院 上海 200233）

在给定温度曲线和材料热工参数的基础上，采用三维实体单元建立钢板混凝土墙体有限元模型，进行瞬态热分析和热应力分析。计算结果表明，不锈钢面板与混凝土间、剪力钉与混凝土间的温度梯度随着时间先变大再变小；墙体截面的热应力增量随着时间逐渐变小。这为钢板混凝土模块墙的高温力学性能及承载力研究提供参考。

钢板混凝土，有限元模型，温度梯度，热应力

钢板混凝土结构是一种新型的结构形式，主要由钢面板、角钢、槽钢、剪力钉和混凝土等组成，如图1所示。角钢和槽钢组成钢桁架，作为钢面板的平面外支撑；剪力钉的作用是使钢面板和混凝土协同工作。这种结构形式用钢板代替钢筋并作为混凝土模板，可以实现平行施工，缩短建设工期，降低工程综合造价,主要应用于第三代核电厂[1]。钢板混凝土结构还具有抗侧刚度大、墙体薄、承载力高、延性好等优点[2]。日本对钢板混凝土结构进行大量常温条件下的试验及理论研究，并形成了抗震设计导则[3]。国内对钢板混凝土结构的研究起步较晚，目前清华大学已经完成了常温下钢板混凝土剪力墙的静力抗震性能试验，并开展了理论研究和数值模拟。由于试验条件所限，国际国内尚未对钢板混凝土结构在高温条件下的力学性能及极限承载力进行研究。钢板混凝土结构在高温条件下的性能成为影响这一结构形式在核电厂应用的关键。钢板混凝土结构在高温条件下温度场和应力场分布的准确性对于确定钢板混凝土结构的高温条件下力学性能研究有着重要的意义。

为了研究钢板混凝土墙体温度场的分布，美国学者采用二维单元PLANE55进行钢板混凝土墙体温度场的分析。但是二维单元不能准确模拟角钢、槽钢、剪力钉对墙体温度场分布的影响。为了研究高温下钢板混凝土各组成部件的温度场和应力场的分布，根据核电厂钢板混凝土模块的构造，从钢板混凝土模块墙上选取一片长度为762 mm、宽度为762 mm、高度为2438 mm的典型墙体为研究对象，采用三维实体单元建立有限元模型，根据已经确定的材料热工参数和温度曲线，进行瞬态热分析和热应力分析，为了得到墙体截面的温度场和应力场随时间的变化规律。

图1 典型钢板混凝土墙Fig.1 Typical steel concrete wall.

1 有限元模型

1.1升温曲线

在第三代核电厂中，安全壳内置换料水箱(IRWST)是非能动安全注射系统的主要组成部分，由钢板混凝土模块墙和钢结构墙体围成，如图2所示。根据失水事故分析结果，在LOCA事故下，反应堆的衰变热是通过热交换器传递给安全壳内置换料水箱中的换料水，水温度由10°C升至128°C，水温度随时间的变化曲线如图3所示[1]。这条温度曲线作为温度场和应力场计算的依据。

图2 IRWST位置图Fig.2 Location of IRWST.

图3 时间-温度曲线Fig.3 Time-temperature curve.

1.2热传导方式与边界条件

在事故工况下，换料水箱中的换料水与模块墙（钢板混凝土）间的传热方式主要是热传导和对流，而模块墙中各部分以导热方式传递热量。

在事故发生前，模块墙与周围环境具有相同的温度，且可认为整个钢板混凝土模块墙截面的温度是均匀分布。在事故工况下，换料水与模块墙间出现热量传递，该过程为瞬态传热，平衡方程可表示为：

其中，[C]为比热矩阵，{T}为温度对时间的导数，[K]为传导矩阵，{T}为节点温度向量，{Q}为节点热流率向量[4]。

当换料水的温度为已知时，该传热过程的边界条件属于第三类，需满足平衡方程：

其中，k为导热系数，α为对流传热系数，Tf为环境温度[4]。

1.3材料热工参数

材料的热工参数是求解温度场的重要前提条件之一，热分析所需要的材料参数包括钢材和混凝土的传热系数、密度、比热等[5−7]。钢板混凝土墙中材料的热工参数见表1。

表1 材料的热工参数Table 1 Thermal parameters of materials.

1.4单元类型及约束情况

为了准确模拟模块墙中各部分的温度场分布，钢面板、角钢、槽钢、剪力钉和混凝土均采用三维实体单元solid70。进行应力场分析时，将solid70单元转换为solid45单元[8]。在有限元模型中，混凝土与钢面板、角钢、槽钢、剪力钉之间通过共用节点实现刚接。

在LOCA事故下，钢板混凝土墙的不锈钢面板与换料水进行热传导，其对流系数是随温度变化。为了简化分析，假定对流系数为常数，取为98.135 W·m−2·°C−1)[5]。钢板混凝土墙体的三维有限元模型如图4所示。

进行热应力分析时，模块墙的底部为固定约束，顶部为自由面。为了模拟墙体的连续性，墙体所在平面的左右两端面为对称约束。

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model.

2 有限元结果

基于上述的温度曲线和有限元模型，进行瞬态热分析。t=3600 s和t=43200 s时，钢板混凝土模块墙的温度分布如图5所示。由图5可知，钢面板、角钢的升温速度要大于混凝土。t=43200 s时，钢面板、角钢、槽钢、剪力钉的温度分布如图6所示。由图6可知，伸入混凝土越深，槽钢和剪力钉的温度就越低。这是因为混凝土和钢材具有不同的热工性能。在升温过程中，由于混凝土升温慢，钢材升温快，出现混凝土对钢材“冷却”的现象，从而导致温度梯度最大值所在的位置随着时间发生变化。

当t=3600 s和t=43200 s时，钢板混凝土截面的温度梯度如图7所示，这是反应温度变化率的一个重要指标。在整个升温过程，不锈钢面板与混凝土间、剪力钉与混凝土间的温度梯度变化曲线如图8所示。由图8可知，温度梯度随着时间先变大再变小。这是因为靠近不锈钢面板的混凝土温度随着时间逐渐升高，导致温度梯度逐渐变小。

根据温度场的分析结果，进行钢板混凝土模块墙的热应力分析。当t=43200 s时，钢面板和剪力钉的Von Mises应力如图9所示，混凝土的第一主应力如图10所示。在整个升温过程，钢面板和剪力钉的Von Mises应力及混凝土第一主应力随时间变化曲线如图11所示。热应力随着时间逐渐增大，增速逐渐变缓。这是因为温度梯度随着时间先变大再变小，导致热应力的增速变缓。

图5 t=3600 s(a)和t=43200 s(b)时钢板混凝土墙体温度分布Fig.5 Steel concrete wall temperature distribution at t=3600 s(a) and t=43200 s(b).

图6 t=43200 s时钢面板、角钢、槽钢、剪力钉温度分布Fig.6 Steel plate, angle, channel, stud temperature distribution at t=43200 s.

图7 t=3600 s(a)和t=43200 s(b)时钢板混凝土墙体截面温度梯度分布Fig.7 Steel concrete wall section temperature gradientdistribution at t=3600 s(a) and t=43200 s(b).

图8 时间-温度梯度曲线Fig.8 Time-temperature gradient curve.

图9 t=43200 s时钢板和剪力钉的应力分布Fig.9 Steel plate and stud stress distribution at t=43200 s.

图10 t=43200 s时混凝土的第一主应力分布Fig.10 Concrete first principal stress distribution at t=43200 s.

图11 时间-应力曲线Fig.11 Time-stress curve.

3 结语

钢板混凝土剪力墙具有延性好、刚度大、方便施工和缩短建造工期等优点，在第三代核电厂中具有广阔的应用前景。为了研究钢板混凝土墙体在高温条件下的力学性能及承载力，本文在给定温度曲线和材料热工参数的条件下，取一片典型的钢板混凝土墙体为研究对象，采用三维实体单元进行瞬态热分析和热应力分析。通过瞬态热分析可知，由于混凝土和钢材的热工性能相差较大，导致截面温度分布出现差异，不锈钢面板和混凝土间、剪力钉与混凝土间的温度梯度随着时间是先变大再变小。在瞬态热分析的基础上，进行热应力分析。结果表明：钢板混凝土墙体截面的热应力是逐渐增大，5小时之后，热应力的增速逐渐变小；最大温度应力出现在钢面板的底部。在工程中，当钢板混凝土墙体的底部采用刚性连接时，应采取可靠的措施，防止钢面板在高温下发生屈曲。在整个时间过程，剪力钉的热应力要大于钢面板的热应力。因此，在设计剪力钉时，需要考虑温度应力的影响。

钢板混凝土作为一种新型的结构形式，还有许多问题尚待研究。在钢板混凝土剪力墙温度场和应力场试验和理论研究的基础上，提出事故工况下钢板混凝土考虑温度变化的承载力计算方法，同时完善剪力钉、角钢和槽钢的设计方法及墙体和周围构件的连接方式，克服热效应的影响，提高钢板混凝土结构在核电厂中的应用范围。

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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

叶志燕，男，1985年出生，2010年于同济大学获硕士学位，主要从事核电厂模块化布置及设计

2012-10-31，

2012-11-30

CLC TU312