反应堆厂房结构静力弹塑性研究

2018-04-12薛志成彭云志朱孔琛

大连大学学报 2018年6期

薛志成，彭云志，裴强，朱孔琛，张瑶

（1.黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150022；2.大连大学土木工程技术研究与开发中心，辽宁大连 116622）

0 引言

核能作为清洁、高效、安全的能源，已成为世界电力供给的主要能源之一。我国在完善核电安全的基础上将加大核电站的建设。核电站反应堆厂房作为确保核反应安全运行的一种极其重要的结构，地震作用引起的安全壳破坏进而引发核泄漏对人类造成的破坏将是极其惨痛的。因此，核电站反应堆厂房结构的抗震性能及损伤评估是确保核反应安全运行的重要保障。抗震规范规定了建筑结构在特定水平的地震作用下,进行结构弹塑性变形验算可采用静力非线性分析（Pushover），通过 Pushover分析,可以确定结构所能承受的地震烈度以及在预定地震作用下的抗震性能。潘蓉等[1]采用静力弹塑性分析方法对某核电厂核岛厂房在超设计基准地震下的抗震性能评估，探讨了典型核电厂安全相关构筑物的抗震性能特点。王晓磊[2]等以核电站安全壳为研究对象，基于振动台试验和有限元数值模拟，应用反应谱法、静力弹塑性分析法、动力时程分析法这三种方法分析了安全壳的抗震性能；林少波[3]等在常规岛主厂房抗震设计中采用Pushover分析方法，对结构极限安全地震作用下弹塑性变形进行分析,结果表明结构构件均未达到其极限承载力，整个结构在地震作用下可以保持稳定不会发生倒塌。郭婧等[4]运用OpenSees软件对反应堆厂房结构进行动力弹塑性时程分析，研究反应堆厂房结构在设计基准地震和超设计基准地震作用下的地震反应特性，并且对反应堆厂房结构的抗震性能和抗震安全裕度进行评价。

本文运用有限元分析软件ABAQUS建立反应堆厂房结构三维有限元分析模型，采用三种不同侧向力加载模式，进行反应堆厂房结构静力弹塑性分析，得到三条结构Pushover曲线，确定反应堆厂房结构发生开裂破坏时的顶点水平位移损伤指标。

1 结构静力弹塑性分析理论

1.1 Pushover分析原理及基本假定

Pushover也称为静力弹塑性分析或静力推覆分析，是确定结构抗震性能的一种方法。Pushover分析就是在结构自重荷载的前提下，按照某种水平荷载加载模式（顶部集中力、均布荷载、倒三角形分布荷载等）在结构有限元分析模型上施加单调递增的水平荷载，使结构经历从弹性阶段、开裂、屈服，直至结构达到预定的破坏状态。

Pushover分析方法的基本假设为[5]：（1）结构的地震响应与其等效单自由度体系相关，这表示结构响应仅由结构的第一振型控制。（2）通常用表示结构的高度的变形的形状向量。在整个地震反应过程中，不管结构的变形大小，保持不变。尽管上述两个假设在理论上不完全准确，但已有的研究表明，对于以第一振型为主的结构的最大地震反应，采用Pushover方法可以得到合理的估计。

1.2 侧向力加载模式

进行结构Pushover分析时，不同侧向力分布模式对结构分析的计算结果会产生很大的影响，选择合理的侧向力加载模式显得至关重要。侧向力加载模式有如下几种：集中力加载模式、倒三角形分布模式、均匀分布模式、幂级数分布模式、SRSS模式、孙景江模式、MPA各阶振型加载模式[6]。通常至少采用两种侧向力加载模式对结构进行Pushover分析，为研究侧向力加载模式对核安全壳结构Pushover分析结果的影响，文中选择均匀分布模式、倒三角形分布模式、二次抛物线形分布模式，如图1所示。

（1）均匀分布模式：指结构第i层的水平侧向力与该层的质量成正比的加载模式。可按下式计算

（2）倒三角形分布模式：指侧向力沿结构高度成倒三角分布的加载模式，是基于底部剪力法的一种侧向力荷载加载模式。可按下式计算：

（3）二次抛物线型分布模式：指侧向力沿结构高度方向成二次抛物线形的加载模式。可按下式计算：

图1 不同侧向力加载模式示意图

2 反应堆厂房结构有限元模型建立

某反应堆厂房（安全壳）结构由半球形穹顶、圆柱形筒体、基础底板三部分组成。半球形穹顶内径40 m、穹顶壁厚0.9 m；圆柱形筒体内径40 m、筒体高48 m、筒壁厚1.1 m；基础底板厚6.5 m；结构总高度为68.9 m；混凝土强度等级为C50[7-9]。反应堆厂房结构几何尺寸如图2所示。

在进行建模时，反应堆结构穹顶及筒体采用位移结果求解较精确、不易发生剪切自锁等优点的C3D8R单元模拟；建模时将基础视为刚性基础，采用R3D4单元模拟；环向、竖向预应力钢筋均采用T3D2单元模拟，普通钢筋采用REBAR+SURFACE的方法模拟；采用降温法模拟结构中预应力的施加；预应力钢筋、普通钢筋均采用ABAQUS内置的Embedded命令嵌入混凝土单元中。反应堆厂房结构三维有限元分析模型中共有单元56831个、节点52662个，反应堆厂房结构有限元分析模型如图3所示。

图2 反应堆厂房结构几何尺寸

图3 反应堆厂房结构有限元分析模型

3 反应堆厂房结构Pushover分析结果

在选定的侧向力加载模式下对核安全壳结构进行Pushover分析，可获得结构的能力曲线，该曲线描述了结构顶点水平位移逐渐増大时基底剪力的变化情况：当结构受到的侧向力较小时，基底剪力和顶点水平位移之间可近似呈线性关系，当侧向力逐渐増大时，结构局部出现屈服，塑性变形逐渐发展，直至侧向位移超过一定的限值[10]。三种不同加载模式下，安全壳结构基地剪力-顶点水平位移曲线如图4所示。

图4 基底剪力-顶点水平位移曲线

由图4可知，不同的侧向力加载模式对安全壳结构Pushover曲线具有一定影响。相同顶点水平位移条件下，均布加载模式所得结构基底剪力最大；采用倒三角加载模式所得结构Pushover曲线介于采用均布加载模式和二次抛物线加载模式所得结构pushover曲线之间，产生这一现象的原因可由图1分析得出：均布加载模式是沿结构高度方向将荷载均布，二次抛物线加载模式是将荷载集中于结构的中上部，倒三角形加载模式则介于均布加载模式和二次抛物线加载模式之间。三种不同加载模式下，安全壳Pushover分析结果如图5至图7所示。

图5 均布加载模式下安全壳Pushover分析结果

图6 倒三角加载模式下安全壳Pushover分析结果

图7 二次抛物线加载模式下安全壳Pushover分析结果

均布侧向力加载模式下，安全壳结构发生混凝土开裂破坏时的顶点水平位移为20.60 mm，此时的基底剪力为4.2769×105kN。倒三角侧向力加载模式下，安全壳结构发生混凝土开裂破坏时的顶点水平位移为27.90 mm，此时的基底剪力为4.4329×105 kN。二次抛物线加载侧向力模式下，核安全壳结构发生混凝土开裂破坏时的顶点水平位移为29.10 mm，此时的基底剪力为3.6554×105kN。

反应堆厂房（安全壳）结构是防止核电站发生泄漏事故的最后一道屏障，结构发生开裂破坏可视为发生核泄漏事故。Ellingwood[11]在进行结构地震危险性分析时将混凝土达到极限拉应变状态视为开裂破坏、混凝土达到极限压应变状态被压碎视为发生倒塌破坏。Choi等[12]对安全壳结构进行地震易损性分析时发现，只有安全壳结构顶点位移的比值随着PGA的增加而增大。因此，将安全壳结构顶点水平位移作为损伤指标，即结构顶点水平位移达到某一特定值时视为结构发生开裂破坏。参考相关研究[13]，将均布加载模式下得到的安全壳结构发生开裂破坏时的顶点水平位移作为结构开裂损伤指标，其值为20.60 mm。