鋼板混凝土與鋼筋混凝土抗沖擊性能的比較

趙 耀 云

(陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

0 引言

20世紀(jì)中期以來(lái)，核能作為高效清潔的能源快速發(fā)展。截至2017年10月12日，全球已投產(chǎn)核電機(jī)組448座，在建核電機(jī)組數(shù)55座[1]。2009年，美國(guó)國(guó)家核能管理委員會(huì)(Nuclear Regulatory Commission，NRC)要求新建核電站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)必須滿足抵御大型商用客機(jī)的撞擊[2]。國(guó)內(nèi)于2016年頒布HAF 102—2016《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》首次規(guī)定核電廠設(shè)計(jì)必須考慮商用客機(jī)的惡意撞擊[3]。

目前的核電站主要存在兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)，如“華龍一號(hào)”核電站；另外一種是鋼板混凝土結(jié)構(gòu)(SC)，如AP1000核電站。針對(duì)以上兩種不同的結(jié)構(gòu)形式，以往的學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的撞擊分析。2005年，Kobori研究中心[4]對(duì)鋼板混凝土板(SC)和鋼筋混凝土板(RC)在模型飛機(jī)撞擊作用下的反應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)，比較了在1/7.5飛機(jī)模型撞擊作用下SC結(jié)構(gòu)和RC結(jié)構(gòu)的不同反應(yīng)。

本文針對(duì)以上兩種的不同結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)LS-DYNA進(jìn)行數(shù)值模擬分析，比較了鋼板混凝土與鋼筋混凝土局部損傷破壞效應(yīng)和整體破壞效應(yīng)的差異性，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型設(shè)置

1.1 有限元模型

對(duì)于局部破壞效應(yīng)分析，建立了10 m×10 m×1 m的混凝土靶板，初始的鋼筋間距為200 mm，直徑為15 mm，混凝土采用Solid實(shí)體單元，鋼筋采用Beam梁?jiǎn)卧M(jìn)行計(jì)算，混凝土Solid單元和鋼筋Beam單元的尺寸為250 mm，靶板在四邊進(jìn)行固支，以考慮周圍結(jié)構(gòu)的約束；建立的飛射物模型為變形圓形鋼管，長(zhǎng)度為5 m，直徑為1 m，壁厚為10 mm，鋼管Shell單元的尺寸為100 mm，有限元模型如圖1所示。為達(dá)到較為明顯的撞擊損傷破壞效果，撞擊速度設(shè)置為200 m/s。

對(duì)于整體破壞效應(yīng)分析，建立了簡(jiǎn)化飛機(jī)模型撞擊直徑44 m，殼體厚度為1.5 m的混凝土殼體，以模擬飛機(jī)撞擊核電站。殼體共有三種結(jié)構(gòu)形式：1)雙層配筋；2)雙層鋼板含拉筋；3)雙層鋼板不含拉筋。鋼板與鋼筋總質(zhì)量保持一致。飛機(jī)的撞擊速度為100 m/s。模型示意圖如圖2所示。

1.2 材料參數(shù)及接觸設(shè)置

混凝土材料所用模型為CSCM[5](MAT#159)，CSCM模型是美國(guó)聯(lián)邦公路局(FHWA)針對(duì)汽車碰撞作用下高架橋墩防護(hù)研究開發(fā)的，通過(guò)相乘的方式，實(shí)現(xiàn)了硬化壓實(shí)面(帽蓋)和剪切破壞面的連續(xù)。該模型參數(shù)輸入簡(jiǎn)單，且考慮了混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)，模型參數(shù)如表1所示。鋼板和鋼筋所用材料模型為塑性隨動(dòng)硬化模型(MAT-PLASTIC-KINEMATIC)，該模型考慮了應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，模型參數(shù)如表2所示。

鋼板與混凝土之間通過(guò)共節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接，鋼筋與混凝土單元間采用拉格朗日耦合約束(CONSTRAINED-LAGRANGE-IN-SOLID)，該方式考慮了鋼筋混凝土間的摩擦滑移作用，使得鋼筋與混凝土共同受力。彈體與靶板的接觸方式為自動(dòng)點(diǎn)面接觸(CONTACT-AUTOMATIC-NODES-TO-SURFACE)和侵蝕點(diǎn)面接觸(CONTACT-ERODING-NODES-TO-SURFACE)。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼板及鋼筋材料參數(shù)

2 局部破壞效應(yīng)比較

設(shè)置的不同工況及靶板背面的最大撓度如表3所示，當(dāng)鋼筋間距達(dá)到極限時(shí)，可以等效認(rèn)為是鋼板。從表3中可以看出，不同鋼筋間距下靶板的撞擊撓度接近，表明鋼筋間距對(duì)于靶板的抗沖擊性能影響較小；侵蝕點(diǎn)面接觸下靶板所產(chǎn)生的撞擊撓度略微大于自動(dòng)點(diǎn)面接觸下靶板所產(chǎn)生的撞擊撓度；鋼板混凝土靶板在沖擊下所產(chǎn)生的撓度要小于鋼筋混凝土靶板，表明在局部破壞效應(yīng)下，鋼板混凝土靶板的抗沖擊性能要略微強(qiáng)于鋼筋混凝土靶板。

表3 不同工況下的模擬結(jié)果對(duì)比

3 整體破壞效應(yīng)比較

3.1 撞擊過(guò)程

圖3給出了鋼筋混凝土殼體在飛機(jī)撞擊下不同時(shí)刻的示意圖。0.1 s時(shí)，飛機(jī)機(jī)頭部分與殼體碰撞，飛機(jī)機(jī)頭前部發(fā)生壓屈破壞，此時(shí)飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼和機(jī)尾沒(méi)有變形，仍然以既定的方向向前飛行；0.2 s時(shí)，飛機(jī)機(jī)身中部與殼體發(fā)生碰撞機(jī)翼與機(jī)身連接的地方也發(fā)生壓屈破壞，飛機(jī)所攜帶的油箱破裂致使燃油拋灑而出；0.3 s時(shí)，飛機(jī)機(jī)身與機(jī)翼連接的部位全部破壞，機(jī)翼與機(jī)身分離，兩側(cè)機(jī)翼在慣性的作用下仍然與筒身接觸并發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象；0.4 s時(shí)，飛機(jī)機(jī)翼偏轉(zhuǎn)角度繼續(xù)加大，同時(shí)燃油分子在慣性作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，拋灑面積進(jìn)一步擴(kuò)大；0.5 s時(shí)飛機(jī)機(jī)尾殘余速度降為0，飛機(jī)機(jī)翼此時(shí)繞著筒身達(dá)到最大偏轉(zhuǎn)角度，同時(shí)燃油拋灑面積最大。

3.2 結(jié)果分析

圖4給出了不同結(jié)構(gòu)形式的殼體在飛機(jī)撞擊下所產(chǎn)生的最大撓度。從圖4中可以看出，雙層鋼板不含拉筋混凝土殼體產(chǎn)生的撓度最大，最大撓度達(dá)到3.18 m。雙層鋼板含拉筋混凝土殼體與鋼筋混凝土殼體在飛機(jī)撞擊下的撓度接近，鋼筋混凝土殼體的撞擊撓度要略微大于鋼板(含拉筋)混凝土殼體的撞擊撓度。從圖4中可以看出，在包含拉筋的情況下，鋼板混凝土殼體的抗沖擊性能要略微優(yōu)于鋼筋混凝土，不包含拉筋的情況下，鋼板混凝土殼體的抗沖擊性能要遠(yuǎn)低于鋼筋混凝土。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)鋼板混凝土和鋼筋混凝土的抗沖擊性能進(jìn)行了局部破壞效應(yīng)和整體損傷效應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。同時(shí)對(duì)鋼板混凝土中拉筋對(duì)靶板抗沖擊性能的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：

1)無(wú)論是整體破壞效應(yīng)還是局部破壞效應(yīng)，鋼板混凝土的抗沖擊性能要略微優(yōu)于鋼筋混凝土。

2)拉筋在鋼板混凝土中起到連接鋼板的作用，對(duì)于抗沖擊性能的提升十分明顯。