核电站中低板跨厚比叠合板-剪力墙UHPC节点的抗震性能

《Engineering Structures》：Seismic performance of superposed slab-shear wall UHPC joints with low slab span-to-thickness ratios in nuclear power plants

　　

摘要

为加快核电站（NPPs）的建设，本研究提出了两种新型叠合板-剪力墙连接节点（SSSWJs），采用超高性能混凝土（UHPC）和短搭接连接。通过实验和数值程序系统地评估了其抗震性能。对六种低板跨厚比（STRs）为4.63和3.08的全尺寸节点试件进行了反向循环加载试验，其中包括两个钢筋混凝土（RC）试件、两个部分UHPC SSSWJ试件和两个全UHPC SSSWJ试件。试验结果表明，UHPC SSSWJ在不同STRs下表现出不同的UHPC-普通混凝土（NC）界面损伤和破坏特征。当STR为4.63时，UHPC SSSWJ表现出令人满意的抗震性能。全UHPC SSSWJ的平均峰值强度和延性系数分别比相应RC节点高出6.4%和12.7%，极限位移角达到1/22。当STR降至3.08时，由于UHPC-NC界面过早破坏，UHPC SSSWJs的延性系数显著降低。值得注意的是，与部分UHPC节点相比，全UHPC节点平均峰值强度提高了21.2%，平均极限位移提高了43.2%。最后，基于试验试件的验证，进行了数值参数化研究。结果表明，STR、板配筋率、UHPC长度和剪切界面刚度对UHPC SSSWJ的抗震响应有显著影响。基于这些定量发现，给出了具体的设计建议。本研究强调了在低STR应用中加强UHPC-NC界面的必要性，以确保NPP结构中SSSWJs的可靠抗震性能。

引言

核电站（NPPs）是关键基础设施，需要最高水平的结构安全性和耐久性，尤其是在承受地震荷载等极端外部事件时[1]。NPP辅助建筑的内部结构通常由复杂的钢筋混凝土（RC）剪力墙和厚板组成的复杂组件构成，作为主要横向和重力荷载抵抗系统[2]。施加在板上的极高荷载使得竖向地震作用的影响不可忽略。在竖向地震下，地震荷载通过节点从板传递到剪力墙，在节点上产生平面外弯矩，这对结构抗震性能至关重要[3]。

许多学者研究了竖向地震下RC板-RC剪力墙节点的抗震性能。Kaushik等人[4]通过数值方法研究了RC板-剪力墙结构在不同水平记录地震地面运动下的抗震响应。Liu等人[5]对不同类型的RC板-剪力墙节点进行了循环加载试验，包括顶层外节点、中间层外节点和顶层内节点。试验结果表明，混凝土损伤主要集中在节点区域，板和剪力墙保持完好。Chalot等人[6]尝试采用纤维增强复合材料（FRP）来减轻RC板-剪力墙结构节点核心区域的剪切破坏。RC板-剪力墙节点满足NPP的抗震要求，但其特点是施工周期长，且高度依赖施工现场的具体条件。

随着清洁能源需求的增长，加快NPP建设的动力不断增强。预制施工技术具有缩短施工周期、减少现场劳动力和提高质量控制的优点，正成为NPP中的关键趋势[7]。如今，预制技术在NPP中的应用仍处于探索阶段。仅有少量研究关注传统结构中预制整体式板-剪力墙节点[[8], [9], [10]]和NPP中钢板混凝土剪力墙-RC板节点[11,12]。在已报告的预制技术中，叠合板由预制底层和后浇顶层（配有钢筋桁架）组成，已获得广泛关注。它们具有优异的完整性和显著节省模板的优点，广泛应用于住宅建筑。已报告的研究证明了不同连接件叠合板的可行性[[13], [14], [15]]。

模块化叠合板的使用代表了NPP工程中的有益尝试，但叠合板与剪力墙之间的连接是关键的薄弱环节。一些研究者探讨了承受不同跨厚比（STRs）的普通混凝土（NC）后浇核心区域叠合板-剪力墙节点（SSSWJ）的抗震性能。STR可定义为加载剪切跨度与板总厚度之比[16,17]。Shang等人[18]实验研究了叠合剪力墙-叠合楼板节点的抗震性能。板总厚度为120 mm，STR为8.3。SSSWJ在滞回环中表现出明显的捏拢效应，并观察到界面破坏。Shang等人[19]对不同搭接长度和板配置的三个叠合剪力墙-叠合楼板节点试件进行了测试。板厚度为130 mm，STR为5.0。结果表明，NC-NC界面被视为薄弱环节，这对整体抗震性能不利。然而，NPP中板的截面尺寸、钢筋等级和钢筋直径远大于典型RC结构，以满足辐射屏蔽和重型设备荷载要求。板的显著厚度导致异常低的STR，使节点的结构性行为从弯矩控制模式转变为剪力控制模式，在使用NC时导致以下挑战：(1)大直径钢筋（通常为40d至50d[20]）所需的搭接长度超过节点区域可用的空间；(2)NC-NC界面表现出较差的拉伸和剪切性能[19]，可能无法满足NPP的高抗震要求。这些厚结构构件、大直径高强度钢筋和低STR是NPP辅助建筑的典型特征，也是所研究的节点与传统建筑节点的区别所在。

超高性能混凝土（UHPC）由于其优异的强度和韧性，已成为结构连接的颠覆性材料[21]。用UHPC替代关键节点区域的NC可以显著减少钢筋搭接长度，缓解拥挤，并提高节点的抗震性能。近期研究调查了UHPC在不同结构构件和连接中的应用。He等人[22]通过实验和数值方法评估了新型UHPC柱的抗震性能。Zeng等人[23]研究了使用UHPC套筒修复受损ECC-NC组合柱。Wu等人[24]研究了使用预制UHPC板对GFRP钢筋混凝土柱进行抗震加固。Nadir等人[25]研究了UHPC角部梁柱节点在双向弯曲下的循环行为，而Li等人[26]调查了包含不锈钢筋和UHPC的预制梁柱节点。Wu等人[27]研究了在关键区域放置UHPC的预制混凝土剪力墙，Wang等人[28]通过数值方法评估了预制部分UHPC剪力墙的循环性能。Ma等人[29]研究了基于UHPC的新型预制自复位剪力墙的抗震性能。Tan等人[30]研究了UHPC湿接缝在钢-UHPC组合桥梁中的弯曲响应。与本项研究更密切相关的是，Lei等人[31]研究了UHPC加强的钢板混凝土墙-RC板节点的搭接连接，而Jin等人[32]评估了UHPC年龄和界面处理对预制墙-底板组件中后浇UHPC节点的影响。上述研究表明，UHPC可以延缓宏观裂缝的出现，并显著提高结构节点的抗震性能。在NPP辅助结构中，厚板和低STR的组合在节点界面处形成了独特的应力状态，其中剪切需求显著更高[31]。因此，UHPC被认为是有前景的材料，可以减轻NPP中传统NC SSSWJ在低STR和大钢筋直径下的剪切破坏。然而，UHPC SSSWJ的抗震性能仍有待进一步了解。

本研究提出了NPP中的全UHPC SSSWJ和部分UHPC SSSWJ以适应不同的施工条件。两种配置的区别在于预制底板是否延伸至全跨。带钢筋桁架连接件的叠合板通过直接搭接配置和后浇UHPC与剪力墙连接。钢筋与UHPC之间的强粘结强度可以减少伸出钢筋所需的搭接长度。本研究旨在调查低STR下UHPC连接叠合板-剪力墙节点的循环行为和界面控制的破坏机理。特别关注的是UHPC-NC界面过早破坏是否会阻碍节点的弯曲和塑性能力的充分发挥。为此，对六种具有不同STR的板-剪力墙节点试件进行了反向循环加载试验，其中包括两个RC节点、两个部分UHPC SSSWJ和两个全UHPC SSSWJ。最后，进行了数值参数化研究，以深入了解UHPC SSSWJ的抗震性能。所提出的连接概念和识别的界面破坏机理可为其他具有类似厚构件、大直径钢筋和低STR的重荷载预制混凝土结构提供指导，具体需根据项目情况进行验证。

段落摘要

结构构造

UHPC SSSWJ源自NPP的辅助厂房，如图1(a)和(b)所示，由预制底板（配有钢筋桁架）、叠合层、剪力墙和UHPC节点组成。根据施工荷载要求，预制底板的厚度规定为板总厚度的四分之一。部分UHPC SSSWJ的特点是全跨预制底板，在板端设有若干矩形凹槽以容纳钢筋

试件设计

全尺寸试件基于NPP原型辅助建筑设计。因此，在试件设计中保留了核结构具有代表性的厚板、厚剪力墙和大直径高强度钢筋。制作了六个全尺寸板-剪力墙节点试件，包括两个RC试件（RCJ-1和RCJ-2）、两个部分UHPC SSSWJ试件（PCJ-1和PCJ-3）以及两个全UHPC SSSWJ试件（PCJ-2和PCJ-4），并在反向循环

实验观察与破坏模式

表3记录了不同阶段试验试件的关键实验结果和破坏特征。板厚度分别为400 mm和600 mm的试验试件的破坏过程如图7和图8所示。试件表面涂白并划分为100 mm × 100 mm的方格以便于观察裂缝。在推方向和拉方向分别用红色和蓝色绘制裂缝。

有限元模型的建立

随后采用ABAQUS软件进行数值研究，以深入了解SSSWJ的抗震性能。所有试验试件的三维有限元模型如图17所示。

混凝土和UHPC使用八节点实体单元（C3D8R）建模。钢筋笼被分配为二节点桁架单元（T3D2），并通过"Embedded Region"（嵌入区域）功能嵌入混凝土中[54]。混凝土、UHPC和钢筋的网格尺寸确定为100 mm。

结论

本研究调查了用于NPP的部分UHPC SSSWJ和全UHPC SSSWJ。对六种具有不同STR的板-剪力墙节点试件进行了全尺寸循环加载试验。进行了精细的数值参数化研究，以调查UHPC SSSWJ在不同应用场景下的抗震性能。主要结论如下。

(1) UHPC节点在不同STR下表现出不同的UHPC-NC界面损伤和破坏特征。当STR

CRediT作者贡献声明

Kun Wang：撰写——初稿，软件，方法学，调查研究，数据整理。Wenfu He：调查研究，概念化。Tao Wang：监督，资源，项目管理。Jiawei Ji：项目管理，调查研究。Sen Yang：撰写——审查与编辑，验证，方法学。

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金的财政支持（基金号：52378521，52408548）。

Kun Wang | Wenfu He | Tao Wang | Jiawei Ji | Sen Yang
上海大学，力学与工程科学学院，上海，200444，中国