趙建忠，武偉

（國(guó)核工程有限公司，上海 200233）

自密實(shí)混凝土對(duì)核電結(jié)構(gòu)模塊側(cè)壓力的數(shù)值分析研究

趙建忠，武偉

（國(guó)核工程有限公司，上海 200233）

自密實(shí)混凝土具有很高的流動(dòng)性，在A P1000結(jié)構(gòu)模塊墻體中應(yīng)用較廣。根據(jù)結(jié)構(gòu)模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立計(jì)算模型，通過(guò)數(shù)值模擬分析自密實(shí)混凝土在結(jié)構(gòu)模塊澆筑過(guò)程中的應(yīng)變、位移特性，分析提出了自密實(shí)混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)模塊鋼板的側(cè)壓力特點(diǎn)，可為其他類似項(xiàng)目結(jié)構(gòu)模塊的自密實(shí)混凝土施工提供參考。

自密實(shí)混凝土;結(jié)構(gòu)模塊;側(cè)壓力;數(shù)值分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.002

1 引言

自密實(shí)混凝土是一種具有高流動(dòng)度且不離析、不泌水，能在免振搗的情況下，完全依靠自身重力作用，充滿模板內(nèi)空間，達(dá)到充分密實(shí)和獲得最佳性能的混凝土。自密實(shí)混凝土區(qū)別于普通混凝土的最大特點(diǎn)在于其以流動(dòng)性、黏聚性、通過(guò)性、抗離析性為主的工作性能，在核電土建施工中應(yīng)用較多。自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性也在一定程度上影響著鋼結(jié)構(gòu)模塊的側(cè)壓力，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，多假定自密實(shí)混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的側(cè)壓力近似于液體壓力，這就極大地限制了自密實(shí)混凝土的澆筑速度，增加了澆筑施工的工作量和施工難度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度造成較大影響。

顯而易見(jiàn)，自密實(shí)混凝土和純液體是有很大區(qū)別的，因此針對(duì)于自密實(shí)混凝土在澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的側(cè)壓力的研究是非常有必要的。本文結(jié)合AP1000核電結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)建立模型，數(shù)值分析自密實(shí)混凝土在結(jié)構(gòu)模塊澆筑過(guò)程中的應(yīng)變、位移特性。

2 建立分析模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)模塊墻體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)AP1000模塊具體結(jié)構(gòu)形式，選取典型墻體作為研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行分析。分析模型尺寸為762mm×5 000mm×10 500mm，4面由14mm厚的鋼板圍成；前后2個(gè)面的鋼板分別對(duì)稱布置有6根加勁肋，間隔為762mm，截面為L(zhǎng)100mm×80mm×10mm；前后面上正對(duì)的加勁肋用C14b的槽鋼連接，豎向間隔1219mm。鋼板、角鋼、槽鋼的材質(zhì)均為Q235B，底部可視為剛性支座，如圖1所示。通過(guò)有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)模塊試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷摹盎炷翝仓钡倪^(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模塊鋼板墻體側(cè)壓力及側(cè)向變形特征。

圖1 數(shù)值模型平剖面示意圖

3 數(shù)值分析計(jì)算

3.1 單次連續(xù)澆筑10m高時(shí)的側(cè)壓力

自密實(shí)混凝土在結(jié)構(gòu)模塊的側(cè)壓力分布特點(diǎn)目前還未得到有效研究，本次模擬主要目的是在不控制未初凝澆筑高度下研究側(cè)壓力分布特點(diǎn)，以便在結(jié)構(gòu)安全條件下尋求最大澆筑高度，以提高施工效率。因此，在開(kāi)始澆筑試驗(yàn)之前，需對(duì)模型結(jié)構(gòu)的承受能力加以研究：假設(shè)一次性澆筑10m高自密實(shí)混凝土進(jìn)行分析計(jì)算。

由于自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)尚缺乏統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以在有關(guān)行業(yè)規(guī)范如《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》（CCES02—2004）[1]、《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T283—2012）[2]的基礎(chǔ)上，參考國(guó)外相關(guān)規(guī)范如《TheEuropeanGuidelinesfor Self-CompactingConcrete》以及其他參考文獻(xiàn)等，認(rèn)為最不利工況是在一次性澆筑之后，混凝土尚未開(kāi)始凝結(jié)時(shí)，對(duì)模板產(chǎn)生的側(cè)壓力最大，并接近于液壓。故在用有限元進(jìn)行計(jì)算時(shí)，仍可采用液壓作為對(duì)鋼板的側(cè)壓力，壓力（kPa）沿高度的分布按公式p=ρ混凝土g（10-h）計(jì)算，其中ρ混凝土=2.4×103kg/m3，g=10m/s2，0≤h≤10m。側(cè)壓力分布曲線見(jiàn)圖2。

圖2 混凝土側(cè)壓力分布曲線

3.1.1 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)上述10mSCC一次性澆筑的工況分別采用2種有限元計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)中間位置的水平應(yīng)變變化與側(cè)壓力分布呈正相關(guān)，但由于受到槽鋼水平拉力的影響，曲線呈現(xiàn)出波浪形。2種軟件的計(jì)算結(jié)果都反映了這一趨勢(shì)。

根據(jù)圖3，對(duì)10m自密實(shí)混凝土一次性澆筑的工況進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)中間位置的水平應(yīng)變變化與側(cè)壓力分布呈正相關(guān)，但由于受到槽鋼水平拉力的影響，曲線呈現(xiàn)出波浪形。2種軟件的計(jì)算結(jié)果都反映了這一趨勢(shì)。

圖3 中間位置水平應(yīng)變沿高度變化曲線

根據(jù)上圖4，中間位置的豎向應(yīng)變比水平應(yīng)變小很多，除了第一點(diǎn)外，計(jì)算的應(yīng)變值基本不超過(guò)500με。由于槽鋼橫向拉力的影響，曲線在-200με～500με內(nèi)來(lái)回波動(dòng)，并且絕對(duì)值隨高度增加（側(cè)壓力減?。┒鴾p小。

圖4 中間位置豎向應(yīng)變沿高度變化曲線

由圖5可知，中間位置垂直于鋼板表面的水平位移沿高度呈減小的趨勢(shì)，與側(cè)壓力的變化趨勢(shì)一致，但由于受到槽鋼水平拉力的影響，曲線呈波浪形。計(jì)算所得的中間位置最大位移分別為7.00mm左右。

圖5 中間位置位移沿高度變化曲線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，板上最大主應(yīng)力為420MPa左右，為拉應(yīng)力，發(fā)生在鋼板內(nèi)側(cè)槽鋼所在的位置。Q235的屈服強(qiáng)度為235MPa，極限抗拉強(qiáng)度在370～500MPa范圍內(nèi)。顯然，板上拉應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度，會(huì)引起鋼材的塑性變形甚至破壞。

綜上所述，對(duì)于單次澆筑10m混凝土的工況，結(jié)構(gòu)仍有可能發(fā)生破壞，形式主要為在鋼板內(nèi)側(cè)，靠近槽鋼的位置，因拉應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生屈服甚至被拉裂。因此，出于施工安全的考慮，實(shí)際上向模型一次澆筑10m混凝土是不可行的。

3.1.2 最大澆筑高度的確定

根據(jù)以上強(qiáng)度驗(yàn)算的結(jié)果，可以認(rèn)為只要鋼板上最大主應(yīng)力小于Q235鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，則結(jié)構(gòu)基本上是安全的。采用“試算法”求解混凝土的最大澆筑高度。

當(dāng)h=5m，最大主應(yīng)力為185.5MPa＜215MPa；當(dāng)h=5.5m，最大主應(yīng)力為213.4MPa＜215MPa；

考慮一定的安全裕度，建議一次性澆筑的最大高度不超過(guò)5.0m。

3.2 分層連續(xù)澆筑5.4m高時(shí)的側(cè)壓力

由于軟件一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比軟件二結(jié)果大，出于安全考慮，采用軟件一進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)側(cè)壓力限值（50kPa），在假設(shè)為全液壓的狀態(tài)下，自密實(shí)混凝土單次澆筑高度為2.1m左右。為研究在超過(guò)2.1m澆筑高度的情況下，模塊鋼板的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)。

以1.8m一層進(jìn)行分層澆筑（本次數(shù)值分析假定單次澆筑高度為5.4m），澆筑速度為1.8m/h，則最大壓力為43.2kPa。取殘余應(yīng)變約為最大應(yīng)變的1/3左右，因此取相應(yīng)的應(yīng)力為15kPa。此外,對(duì)于某一層上部的點(diǎn)，其應(yīng)變明顯受到后一層混凝土的影響。綜合考慮上述條件，以澆筑3層的情況為例，提出如下側(cè)壓力分布圖，詳見(jiàn)圖6。

圖6 混凝土側(cè)壓力分布圖

采用通用有限元軟件，計(jì)算混凝土澆筑過(guò)程中結(jié)構(gòu)模塊鋼板墻體的應(yīng)變和變形特點(diǎn)，在假設(shè)側(cè)壓力分布條件下，計(jì)算實(shí)體分層澆筑的墻體變形。由于計(jì)算量較大，本文僅以具有代表性的1層、2層、3層澆筑的工況為例，進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算模型中間部位的水平應(yīng)變?cè)?層、2層、3層連續(xù)澆筑的工況下變化情況如圖7所示。

圖7 模型前3層澆筑應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)情況

從圖7可以看出，在上述側(cè)壓力分布條件下，通過(guò)模型計(jì)算得到的最大應(yīng)變?yōu)?00με，同時(shí)肋部負(fù)應(yīng)變的絕對(duì)值要大于肋間部位的正應(yīng)變值。

采用模型分別在不同工況下計(jì)算5m高度范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)位移隨高度的變化情況見(jiàn)圖8。

圖8 模型前3層澆筑位移增長(zhǎng)情況

由圖8可知，在上述側(cè)壓力分布條件下，在第1層1.8m澆筑過(guò)程中，在1m高附近，其位移達(dá)到最大值約0.85mm，在第2層1.8m澆筑過(guò)程中，同樣在1m高附近，其位移達(dá)到最大值約1.7mm，之后隨著第3層1.8m的澆筑，前2層自密實(shí)混凝土逐漸凝固收縮，位移開(kāi)始減少，過(guò)程中，高度2.5m及3.5m處的位移先后達(dá)到階段性峰值1.4mm和1.6mm。隨著混凝土凝固收縮，各點(diǎn)位移逐漸減少。

在自密實(shí)混凝土的連續(xù)澆筑過(guò)程中，峰值分布形態(tài)略有差異，但位移從逐漸增加到逐漸減少的形態(tài)，可以判斷結(jié)構(gòu)整體處于彈性變形狀態(tài)。

4 結(jié)構(gòu)模塊墻體的抗側(cè)壓力特點(diǎn)

在對(duì)模型自密實(shí)混凝土澆筑試驗(yàn)的模擬中，一次性澆筑10m混凝土?xí)r所產(chǎn)生最大水平應(yīng)變?cè)?00～800με，肋部絕對(duì)值最大的負(fù)應(yīng)變?yōu)?1300～-1600με左右，最大位移為6～8mm，鋼板肋部最大主應(yīng)力為440MPa，超出了屈服強(qiáng)度，接近極限抗拉強(qiáng)度，可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞。試算結(jié)果表明：一次性澆筑的最大高度不宜超過(guò)5.0m。

而在連續(xù)澆筑5.0m的情況下（澆筑速度不超過(guò)1.8m/h），對(duì)模塊墻體的承受能力進(jìn)行數(shù)值分析研究，研究表明：

1）本次澆筑數(shù)值分析中，結(jié)構(gòu)模型整體上處于彈性變形狀態(tài)；

2）總體上看，側(cè)壓力隨時(shí)間經(jīng)歷一個(gè)“迅速增長(zhǎng)→緩慢衰減→穩(wěn)定”的過(guò)程，峰值受澆筑高度和澆筑速率的影響，其衰減程度除了受澆筑高度和速率影響外，還與材料特性等密切相關(guān)，側(cè)壓力在后期保持一定穩(wěn)定；

3）鋼板水平應(yīng)變隨時(shí)間的變化形式在澆筑階段及之后一段時(shí)間與側(cè)壓力很相似，總體變化范圍在可控范圍內(nèi)；

4）位移變化形式也與側(cè)壓力類似，但變化幅度較小，后期同樣比較穩(wěn)定；

5）通過(guò)本次模型試驗(yàn)及對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，只要合理地控制每次澆筑厚度和間隔時(shí)間，結(jié)構(gòu)模塊的連續(xù)澆筑是能夠?qū)崿F(xiàn)的；

6）結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，如果一次性澆筑，單次澆筑高度不超過(guò)5.0m時(shí)，且澆筑速度不超過(guò)1.8m/h時(shí)，模塊墻體鋼板的最大應(yīng)變?cè)?.5～4.0m之間，約200με，模塊墻體鋼板的最大位移在3.5m左右，約1.7mm。

5 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值分析研究，自密實(shí)混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)模塊鋼板的側(cè)壓力大，在控制單次澆筑高度的情況下，鋼板整體上處于彈性變形狀態(tài)，側(cè)壓力隨時(shí)間經(jīng)歷一個(gè)“迅速增長(zhǎng)—緩慢衰減—穩(wěn)定”的過(guò)程，峰值受澆筑高度和澆筑速率的影響，鋼板水平應(yīng)變和位移變化隨時(shí)間的變化形式在澆筑階段及之后一段時(shí)間與側(cè)壓力很相似，后期同樣比較穩(wěn)定，總體變化范圍在可控范圍內(nèi)。

總體上看，數(shù)值計(jì)算得到的鋼板墻的應(yīng)力應(yīng)變特性能在一定程度上反映鋼板墻在自密實(shí)混凝土澆筑情況下的應(yīng)力應(yīng)變特征，有一定的合理性，但同時(shí)也應(yīng)注意到數(shù)值計(jì)算中某些條件的簡(jiǎn)化會(huì)帶來(lái)一定誤差，尚需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)修正，尤其是應(yīng)該進(jìn)一步采用實(shí)體澆筑檢測(cè)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

【1】CECS02——2004自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南[S].

【2】JGJ/T 283—2012自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

Numerical Analysis of Lateral Pressure on Nuclear Power Structural Module of Self-compacting Concrete

ZHAO Jian-zhong，WU Wei
（StateNuclearPowerEngineeringCompany，Shanghai200233，China）

With very high fluidity, self-compacting concrete is widely used in AP1000 Nuclear structure module wall.According to the structural characteristics of the module structure, calculation model is established. Through the numerical simulation analysis of self-compacting concrete in the process of pouring, strain and displacement characteristics ofmodule structure is simulated, and lateral pressure characteristics of self-compacting concrete bringing to bear on module steel structuresideisputforward.whichcanprovidethereferencefortheothersimilarprojectsconstruction.

self-compactingconcrete;structuremodule;lateralpressure;numericalsimulationanalysis

TU528.59

A

1007-9467（2016）09-0026-04

2016-03-10

趙建忠（1969～），男，浙江杭州人，高級(jí)工程師，從事AP系列核電廠項(xiàng)目工程管理與研究，（電子信箱）wuwei_china@163.com。