钢板混凝土 (SC) 结构广泛应用在第三代核电技术的结构模块中, 其具有诸多优点:1) 结构形式主要包括外侧钢板、核心混凝土以及混凝土和钢板的连接构造, 可实现模块化生产和施工;2) 从剪力墙中混凝土受力角度考虑, 双钢板混凝土组合剪力墙对内部混凝土有良好的约束, 可利用混凝土的多轴强度;3) 从混凝土和钢板的协同工作来看, 混凝土限制了钢板向内屈曲;4) SC剪力墙结构的延性和耗能能力优于钢筋混凝土 (RC) 剪力墙结构。

　　 国内外已经开展SC结构的相关研究, 积累了不少的成果, 并依托于工程项目逐步形成行业标准规范, 目前针对SC结构的设计规范, 主要有日本电气标准委员会2005年出版的设计规范JEAG-4618^[1] (简称日本规范JEAG-4618) 、韩国电力协会2010年出版的KEPIC-SNG^[2] (简称韩国规范KEPIC-SNG) ;美国钢结构学会在2015年出版的ANSI/AISC-N690^[3] (简称美国规范ANSI/AISC-N690) , 其中附录N9章节对SC结构构件和节点设计进行了规定。我国相关SC的设计规范正在编制中, 并将于不久发布。

　　 美国规范ASCE/SEI-7^[4]和美国规范ANSI/AISC-341^[5]中的抗震条款规定了允许在地震多发区域使用这类的SC结构体系, 但缺乏SC墙体的详细的抗震节点连接设计, 也没有涉及含边缘约束构件的规定。在实际的核电厂结构设计中, 由于结构布置的复杂性, 出现了很多SC结构和RC结构连接的区域, 比如SC墙体和RC墙体的连接、SC墙体和RC基础底板的连接等。尤其在结构模块和底板连接处, 目前在三门海阳核电项目的设计中采用了钢筋机械连接的方式, 既需要保证钢筋和钢板的合理搭接, 能够有效地传递荷载, 又需要避免出现与剪力钉和管线碰撞, 并能保证施工的可行性, 使得SC墙体的连接节点设计在现场施工中存在很大的施工困难。因此为了实现国产自主化设计的第三代核电技术, 结合我国目前实际的工业化程度, 有必要对钢板混凝土结构的连接节点进行性能研究和性能优化, 为后续核电项目关于SC节点设计提供依据和指导。

　　 本文基于ABAQUS有限元软件, 对钢板混凝土结构墙体与基础底板的连接节点在三种不同内力工况下 (平面内抗剪、平面外抗剪和抗弯) 进行了有限元分析。得到了节点在不同内力工况下的破坏部位及破坏型态, 获取了不同内力工况下节点的荷载-位移曲线以及极限承载力。

　　 为保证核电厂的安全, 对于安全重要的构件应保证强节点弱构件, 美国规范ANSI/AISC-N690规定了钢板混凝土墙构件的设计以及承载力的计算公式, 因此钢板混凝土墙构件的安全容易保证。关键在于保证节点的承载力满足设计要求。对于SC墙体和基础连接, 目前主要的连接方式是插筋式锚固节点、埋入式锚固节点, 见图1。

　　 对于插筋式锚固节点, SC墙体弯矩通过剪力钉传递给内部混凝土, 内部混凝土通过插筋将弯矩传递到基础混凝土;SC墙体平面内外剪力均通过混凝土及钢筋剪摩擦直接传递给基础混凝土中。

　　 对于埋入式锚固节点, 类似于埋入式柱脚锚固, SC墙体伸入基础一定距离, 内力通过剪力钉与锚固板直接传递给混凝土基础。

　　 SC墙体长1 600mm, 宽800mm, 高分别为1 600mm (高长比1.0, 抗弯性能为主) 和960mm (高长比0.6, 抗剪性能为主) 。考虑到构件在受力过程中实际情况是弯曲和剪切共同作用, 但目前对于SC结构来说, 弯曲和剪切各自的效应权重还依然在研究之中, 本文采用高长比1.0和0.6这2种常用的情况来和规范对比。

　　 竖向加劲肋选用角钢∟100×80×10, 间距为600mm。水平拉结构件选用槽钢[12, 间距为600mm。剪力钉直径为19mm, 长度为150mm, 间距为200mm。

　　 插筋式锚固节点中插筋直径为32mm, 间距为200mm (计算平面外抗剪时加密到100mm) , 插筋向下埋入基础960mm, 向上伸入SC墙体960mm。基础配有钢筋, 主筋直径为32mm, 间距为200mm, 双层双向布置, 拉筋直径为16mm, 间距为200mm。

　　 埋入式锚固节点中, 整体SC墙体向下锚入基础的深度按1.2倍的墙体宽度为960mm。

　　 日本规范JEAG-4618规定了单钢板厚度的限值为0.033倍墙体总厚度即26.7mm;美国规范ANSI/AISC-N690规定了单钢板厚度的限值为0.025倍墙体总厚度即20mm, 因此在本模型中钢板厚度按14, 20, 30mm来进行分析。对于超过限值的钢板, 其厚度按限值来计算, 其余具体的结构构造信息见表1。

　　 数值分析中钢板、加劲肋、拉结构件、剪力钉等采用Q235B、钢筋采用HRB400, 均采用理想弹塑性模型。钢材材料主要参数见表2。其中钢板考虑屈服后应力强化阶段^[6], 钢板材料的应力-应变曲线见图2。

　　 数值分析中混凝土强度等级采用C30, 选用塑性损伤模型, 具体参数见表3。混凝土抗压和抗拉应力-应变曲线如图3所示。

　　 SC墙体外钢板和混凝土采用了绑定相互作用;剪力钉的端部、竖向拉结构件分别与钢板采用了绑定相互作用。剪力钉、拉结构件和钢筋则埋置在混凝土中。基础混凝土底部和四侧均进行固定支座连接。保持墙顶分别在墙顶平面内、平面外施加荷载至破坏。插筋式、埋入式两种锚固方式的锚固节点有限元模型见图4。

　　 插筋式锚固节点在弯矩作用下节点区域传力不连续, SC墙体受拉钢板通过剪力钉、对拉型钢和混凝土粘结将外力传入插筋。当钢板和插入钢筋配筋率合适的情况下会发生受拉插筋屈服、受压钢板弹塑性屈曲的延性破坏模式, 插筋屈服破坏荷载为连接节点抗弯承载能力;而当插入钢筋与钢板的搭接锚固长度不足时, 则会导致混凝土粘结破坏的脆性破坏模式。剪力作用下节点区域传力同样不连续, 节点区区域上方SC钢板和核心混凝土共同承受剪力, 在节点面附近由于钢板逐步退出工作, 使得混凝土承受的剪力突然变大, 容易造成混凝土剪切破坏。

　　 埋入式锚固节点在弯矩作用下节点区域的传力路径是连续的, 一般发生受拉钢板屈服和受压钢板弹塑性屈曲的延性破坏模式;如果插入的深度不足, 则容易导致SC墙体被拔出从而发生脆性破坏模式。剪力作用下节点区域的传力路径是连续的, 可能发生混凝土剪切破坏。

　　 韩国规范KEPIC-SNG和美国规范ANSI/AISC-N690对于SC锚固节点均定义了完全强度连接和弱强度连接。完全强度连接是能充分发挥构件的强度, 使得节点区域能在构件屈服后逐步进入屈服状态而最终破坏, 节点区域的承载力强度只须是较弱构件强度的125%, 因此埋入式节点属于完全强度连接。弱强度连接是由于传力路径不连续, 无法保证构件能先于节点区域屈服, 只能按照文献[7]中的性能设计, 考虑非弹性能量吸收系数0.5, 可使通过高置信低失效概率HCLPF值的SMA裕度分析的安全系数达到1.67, 因此插筋式锚固节点属于弱强度连接。

　　 分别按日本规范JEAG-4618和美国规范ANSI/AISC-N690的计算方法得出构件的平面内抗剪承载力, 见表4。有限元分析得到的剪力-位移曲线见图5。

　　 分析结果可知, 埋入式锚固节点在承载力和延性性能上优于插筋式锚固节点。

　　 由图5 (b) , (c) 可知, 插筋式锚固节点区域的钢板厚度等于和超过规范允许最大含钢率要求计算所得的20mm厚度时, 插筋式锚固节点的承载力没有随着钢板厚度T的增加而提高, 另外由图6和图7可知, 当钢板厚度超过规范允许的最大含钢率时, 钢板始终没有发生屈服, 整个节点区域依赖钢筋和混凝土来承担平面内剪力。

　　 由图8可知, 埋入式锚固节点区域的钢板厚度等于20mm时, 出现了受拉钢板屈服和中部少量的斜剪切破坏的情况。钢板厚度达到30mm时, 钢板发生大面积的受压屈服状态, 但受拉区域钢板还没有出现屈服, 且已经在中部出现明显的斜拉剪切破坏的区域, 意味着没有发生受拉钢板屈服的延性破坏模式。

　　 分别按照日本规范JEAG-4618和美国规范ANSI/AISC-N690的计算方法得出构件的平面外抗剪承载力, 见表5。有限元分析结果的剪力-位移曲线见图9。美国规范ANSI/AISC-N690计算平面外抗剪的构件强度时, 若水平拉结构件的间距超过了墙厚的一半, 则不考虑混凝土部分的效应。由图9可知, 埋入式锚固节点平面外抗剪承载力优于插筋式锚固节点。

　　 图6 构件SC-960插筋式锚固节点平面内抗剪工况下钢板应力云图/MPa

　　 图10和图11显示插筋式钢板厚度为14mm时, 钢板发生屈服, 然后混凝土发生剪切破坏, 呈现了很好的延性。而当钢板厚度超过20mm厚时, 在钢板还没有完全屈服时, 混凝土已经发生了剪切破坏, 使得整个节点为一个脆性破坏模式。

　　 分别按照日本规范JEAG-4618和美国规范ANSI/AISC-N690的计算方法得出构件SC-1600的平面外抗弯承载力, 见表6。有限元分析结果的弯矩-位移曲线见图12。由图12可知, 埋入式锚固节点平面外抗弯承载力优于插筋式锚固节点。由于日本规范JEAG-4618和美国规范ANSI/AISC-N690对于钢板厚度的最大限值不一致, 导致钢板厚度等于30mm时, 规范计算的承载力相差较大。插筋式钢板厚度为14mm时, 钢板发生屈服, 然后混凝土发生剪切破坏, 呈现了很好的延性。而当钢板厚度超过20mm时, 破坏模式发生变化, 逐步变成了脆性破坏模式。

　　 图13表明随着钢板厚度增加, 导致荷载作用下混凝土内部剪切应力变大, 失效模式从延性破坏逐步变成脆性破坏。

　　 增加了钢板厚度分别为24mm (构件SC-1000-24) 和26mm (构件SC-1000-26) 的埋入式锚固节点分析 (图14) , 数值分析的结果表明钢板厚度在24mm左右, 钢板屈服与混凝土剪切破坏同时发生, 表明按日本规范JEAG-4618来设计SC构件时, 在没有超过且接近规范的最大厚度限值 (26.7mm) 时, 破坏模式已经发生了变化。

　　 (1) 美国规范ANSI/AISC-N690在计算构件的平面内抗剪、平面外抗剪、平面外抗弯强度时, 计算结果比日本规范JEAG-4618保守。尤其在构件的平面外抗剪承载力计算方面, 由于构造措施的选取差异, 会造成美国规范和日本规范两者间构件的计算上有较大的差异。

　　 (2) 由分析结果可知, 满足构造前提下, 对于SC墙体与基础底板的连接节点, 插筋式锚固节点和埋入式锚固节点均能保证节点的延性和承载力强度要求;埋入式锚固节点的承载力要略优于插筋式锚固节点。

　　 (3) 埋入式锚固节点受力连续, 能实现满足完全强度连接的设计要求, 充分发挥构件的强度, 而插筋式锚固节点受力不连续, 主要靠插筋和混凝土一起来承担外力, 受限于插筋的布置, 很难满足完全强度连接, 设计时只能考虑弱强度连接的方式。

　　 (4) 钢板厚度不应超过规范规定的限值, 且不宜采用接近规范规定的最大厚度限值, 以避免混凝土在钢板屈服前发生剪切破坏的脆性破坏模式。