山东海阳核电站一期取水沟道抗震性能分析

金煜皓，赵　杰，尹训强

(大连大学 土木工程技术研究与开发中心， 辽宁 大连 116622)



山东海阳核电站一期取水沟道抗震性能分析

金煜皓，赵杰，尹训强

(大连大学 土木工程技术研究与开发中心， 辽宁 大连 116622)

摘要：以山东海阳核电站一期取水沟道工程为研究背景，对该取水沟道抗震性能进行分析。选取代表性断面，基于非线性有限差分软件FLAC3D建立三维结构-地基模型，采用动力时程反应分析方法，在模型四周设置黏性边界模拟无限地基辐射阻尼效应，进而计算核电站取水沟道直管段及弯道段在静动力工况(即内外温差、水锤压力、地震等多荷载复杂环境)下内力及变形的变化情况，给出衬砌结构内力包络图。数值分析结果表明：结构内力随沟道内外温差发生显著变化；水锤压力对沟道内力影响明显，设计施工时应对薄弱截面进行加密配筋处理；地震动引起的相对错动变形较小，说明该核电站取水沟道设计方案中提出的伸缩缝设置方案(2cm)是可行的，计算方法和分析成果可为核电站取水沟道抗震性能分析提供参考。

关键词：FLAC3D软件；取水沟道；内力包络图；抗震性能分析

随着我国经济的快速发展以及环境保护压力的日益增大，人们越来越重视清洁能源的利用和普及，然而随之而来的是核电站安全问题，尤其是近年来核电事故多发(如地震导致的柏崎·刈羽核事故、福岛核事故等)，如何保证核电站设施运营的安全受到了社会各界强烈关注，其中，核电结构的抗震性能是核电站设备正常运行的重要保证[1-2]。其中，取水沟道作为核循环水系统组成部分，其抗震性能对整个核循环系统设备运行的重要性不容忽略。

近年来，相关学者针对取水沟道等地下结构抗震分析，开展了大量研究[3-4]。这些研究包括地震系数法、反应位移法和围岩应变传递法等拟静力法，这些方法使用简便，也较容易了解掌握，但因其不能考虑材料非线性、非均质等特点，边界条件单一局限，故无法模拟地基条件较为复杂场地的结构抗震性能且难以考虑结构-地基相互作用即SSI效应。随着现代计算机功能的日益强大，精确且条件更加严格的数值分析方法越来越多，解决上述问题已不是困难的事情，其中，具有代表性的是有限元数值分析方法[5-6]，该方法可以较为准确地模拟材料非线性特征、复杂厂址地基条件、无限地基辐射阻尼效应及地震动传播动力时程，相比于传统静力分析方法而言，优势明显。

本文以山东海阳核电站一期取水沟道工程为研究对象，将取水沟道直管段、弯道作为研究对象，采用动力时程分析法进行抗震分析[7]，利用FLAC3D二次开发环境，结合五点公式，得到衬砌实体单元内力包络图；重点分析了温度荷载、水锤压力、地震荷载等因素对沟道直管段、弯道内力的影响，给出相应部分的弯矩、剪力和轴力分布，总结所得内力分布规律，并对结构变形做出安全性评价，为类似取水沟道工程设计提供参考。

1工程概况

山东海阳核电站一期循环水取水沟道采用钢筋混凝土现浇而成，内径3.8 m，壁厚0.6 m，用于将水引进水泵房。地基土以中等风化岩和微风化岩为主，图1为取水沟道关键面布置图。

图1取水沟道关键面布置图

该取水沟道断面形式为内圆外方，选取截面1及弯道1为研究对象，管内径3.8 m，壁厚0.6 m，关键面1如图2所示。

图2取水沟道关键面1截面图

2FLAC3D基本分析方法及计算模型

2.1动力分析方法

时程分析方法是动力分析方法的一种，其可以计算出结构随时间变化的动力反应值，例如，位移、速度和加速度，并由动力方程求得所需要的力[8]。该方法属于时域分析方法，可以充分考虑地震三要素，完整反映实际地震发生过程。本文假定地基材料为非线性弹性介质，其动力平衡方程如下，可采用逐步积分法计算：

(1)

2.2摩尔-库仑弹塑性模型

FLAC3D中摩尔-库仑弹塑性本构模型是摩尔-库仑准则拉应力截断模型的组合屈服本构模型[9]。其中三个主应力的大小标记：σ1≤σ2≤σ3，这里规定压应力为负，如图3所示。

图3摩尔-库仑屈服准则

从A到B点由Mohr-Coulomb屈服函数fs=0定义，破坏包络线函数f(σ1,σ3)=0。从B到C点由拉应力ft=σ3-σt定义，σt为拉应力强度。由于ft应小于σ3故而ft最大值应由线fs=0和线σ1=σ3交点值表示。采用一个函数：h(σ1,σ3)=0表示fs=0和ft=σ3-σt屈服区域的交线，如式(2)：

h=σ3-σt+ap(σ1-σp)

(2)

其中：ap和σp是常数，计算如下：

(3)

(4)

根据h的计算结果，若h>0，应力点在拉应力屈服区域，则判断为拉伸破坏；若h<0，应力点在摩尔-库仑屈服区域，则判断为剪切破坏，由此可得出破坏类型。

2.3边界场地模型

在FLAC3D所建模型中，模型四周用黏性边界表示，即黏滞阻尼器和自由场耦合[10]，自由场边界施加如图4所示。

图4自由场边界条件

模型边界处采用黏性人工边界来反映远场地基的辐射阻尼效应，这是地基无限域动力模型采用的通用方式之一(ASCE 4-98标准推荐)。该边界场地模型是通过等效荷载和黏性边界共同实现的[11-12]，目的在于模拟实际波场的应力边界条件，结合上述自由场分析，通过施加等效荷载力P以满足边界应力条件，如图5所示。边界处施加应力表示为：

(5)

(6)

(7)

(8)

图5黏性边界和等效荷载

3抗震分析模型的建立

采用本文所建立地震响应分析计算模型，以山东海阳核电站一期取水沟道为研究对象，利用FLAC3D动力分析软件对该取水沟道计算模型进行动力响应分析。

3.1计算模型

三维动力分析模型与静力分析模型一致，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型[13-14]，如图6所示。其中，沟道岩体、沟道开挖分别用六面体单元及空单元模拟；CABLE单元、BEAM单元分别用来模拟锚杆和钢支撑；衬砌采用实体单元；模型四周采用黏性边界用来模拟无限地基辐射阻尼效应[15]。模型长191m，宽140m，自沟道往下高50m，其中中风化岩体取5m,微风化岩体取45m,回填碎石区域厚为5m，共分96 895个单元，75 794个节点。另外，在FLAC3D

图6三维静力分析模型

中，模型单元尺寸需满足Δl≤λ/10，方可真实反映地震波实际传播过程，其中λ为输入地震波最高频率对应波长，故本模型最大网格宽度取7.8m。

3.2计算参数

表1为取水沟道抗震计算参数，由施工设计阶段岩土工程勘察报告取值。

表1　取水沟道抗震计算参数

该核电站取水沟道外水压力由地下水位分析得到，地下水标高8.0m；最大试水压力取0.21MPa，水锤压力取0.42MPa。

3.3地震波的选取

该取水沟道实际地震安评报告表明抗震分析仅需考虑水平两个方向地震动作用，故地震安评报告建议采用RG1.60地震波，并建议将RG1.60时程的峰值调整为：水平向0.10g，不考虑竖向地震动。如图7、图8所示，地震动时长28s。

图7　水平X向地震波

图8水平Y向地震波

3.4计算方案

FLAC3D数值计算中，在取水沟道关键截面获取不同部位处沟壁在温度荷载、水锤压力及地震动作用下内力及变形的变化。关键面1内力控制点沿沟道环向共24个点，沟道变形控制点4个(分别位于顶部、沟道中部和底部)，沟道内径3.8m，外径5.0m，壁厚0.6m。在FLAC3D中无法一次性给出单元内力，即弯矩、轴力及剪力。所以应对FLAC3D进行二次开发并结合由应力求内力的五点公式，从而计算所需内力。

式(9)、式(10)分别为弯矩、轴力计算公式。

(9)

(10)

式中：M、N分别为弯矩、轴力；σ1、σ2、σ3、σ4、σ5分别是代表各内力方向上的应力；b为截面宽度；h为截面高度。剪力计算公式如轴力，将式(14)中应力换为剪力即可。内力控制点见图9。

图9截面内力控制点分布图

4取水沟道数值计算结果分析

4.1分析工况

为说明内外温差、水锤压力、地震荷载三种不同静动力荷载在考虑自重、土压力等已有荷载之间效应组合条件下对沟道衬砌内力的影响，列出分析工况如表2所示，其中工况1～工况3为静力工况，工况4、工况5为动力工况。计算时取水沟道采用大开挖的方式，回填材料为碎石(表中温度列“√”表示管外比管内温度高10℃，空白表示管内比管外温度高10℃)。

4.2取水沟道直管段内力分析

在表2中给定的静动力荷载工况条件下，对该取水沟道进行计算，得出内力包络图，分析结构内力分布规律。内力符号及单位约定如下：弯矩外侧受拉为正，内侧受拉为负；轴力受拉为正，受压为负；剪力顺时针方向为正，反之为负。图10分别为工况1到工况5衬砌内力最大(小)值，从左到右依次为弯矩M、轴力N、剪力S(“□”为弯矩、轴力、剪力最大值；“△”为弯矩、轴力、剪力最小值)。

表2　分析工况

由图10可以看出，从荷载影响程度上分析，对比工况1，工况2三种内力(弯矩、轴力及剪力)明显减小，分别减小了41.5%、60.8%、75.5%，对比表明，内外温差改变对内力改变效果很大，在控制其他荷载不变的条件下，管外温度高于管内温度对沟道直管段内力影响较为显著；而对于工况3来说，相比于工况1，其弯矩增加了101.8kN·m，增加幅度为13.5%，与此同时，轴力和剪力却有不同程度的减小，分别减小13.9%、1.5%，说明水锤压力对弯矩的作用效果较为明显，这对结构配筋有一定影响；对比静力作用下的工况1，动力工况4三种内力分别增大了10.2%、1.9%、0.8%；对比静力工况2，动力工况5内力分别增大了20.2%、20.2%、25.9%，以上两种静动力对比说明地震荷载动力作用对结构内力有明显影响，应进行取水沟道结构的地震响应分析。

从沟道受力角度出发，如表3所示，静力工况下，以弯矩控制为主，得知工况3是最危险工况，即管外比管内温度高10℃，有水锤压力作用；在动力工况下，地震作用对结构弯矩影响明显，工况4是最危险的工况，即当管外温度比管内温度高10℃时的地震作用。

表3　静动力工况下内力

4.3取水沟道相对变形分析

考虑到取水沟道施工时每20m～30m左右设置伸缩缝，故在计算分析中给出了关键面1在地震作用下每25.0m的错动变形。表4给出了在动力工况4、工况5情况下，关键截面最大相对变形。

表4　关键面最大相对变形

由表4可以看出，地震动引起的相对错动变形较小，每25.0m产生的最大相对错动仅0.46mm；设计方案中提出的伸缩缝设置方案(2cm)是可行的。

4.4取水沟道弯道内力

从表5可以看出，在三种代表性工况条件下，从弯道受力角度出发，以弯矩控制为主，工况3(管外比管内温度高10℃，有水锤压力作用)是最危险的工况，它产生的内力超过了地震作用。表5列出了静动力工况下弯道内力计算结果。

表5　静动力工况下内力

5结论

针对核电站实际工程，利用非线性有限差分软件FLAC3D对所建立的三维结构-地基模型开展取水沟道直管段、弯道段静动力数值分析，在给定的代表性工况条件下分析取水沟道关键截面内力以及变形变化规律，主要结论如下：

(1) 内外温差的改变对沟道内力影响显著，其对衬砌结构内力的大小和部分内力方向均有明显改变。

图10内力分布规律

(2) 综合比较静动力各工况下的内力结果表明，在取水沟道直管段及弯道段，管外比管内温度高10℃，有水锤压力作用工况为最不利工况，设计施工时应对薄弱截面进行加密配筋处理。

(3) 地震作用下最不利工况是工况4，即运行期双管有水，管外比管内温度高10℃。截面内力情况为：最大弯矩828.8kN·m，最大轴力1 290.1kN，最大剪力813.7kN，与此条件下静力工况(工况1)相比，弯矩放大约为10%。

(4) 地震动引起的相对错动变形较小，每25m产生的最大相对错动变形为0.46mm，因此，该核电站取水沟道设计方案中提出的伸缩缝设置方案(2cm)是可行的。

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Analysis of Earthquake Resistant Behavior of Water Channel in Shandong Haiyang Nuclear Power Project

JIN Yuhao, ZHAO Jie, YIN Xunqiang

(DalianUniversityCivilEngineeringR&DCenter，Dalian,Liaoning116622,China)

Abstract：This paper took the water intake channel in the first stage of Shandong Haiyang nuclear power project as an example, by using the dynamic time-history analysis method and selecting representative sections, the three dimensional soil-structure model was developed by using FLAC3Dsoftware, which sets viscous boundary in order to simulate the infinite foundation radiation damping effect. The internal forces and deformation of the channel structure under temperature, water hammer pressure, earthquake are considered and the envelope diagrams were derived. The numerical results show that: the internal force of the channel structure changes with the variation of the temperature between inside and outside. The influence of water hammer pressure is obvious, so intensive reinforcement at the weak section should be applied during the design and construction. The relative deformation caused by the earthquake is small, which means setting scheme of expansion joint is feasible. The calculation and analysis results could provide the guidance to analyze earthquake resistant behavior of water channels of the nuclear power plant.

Keywords:FLAC3Dsoftware; water channel; envelope diagrams; earthquake resistant behavior

文章编号：1672—1144(2016)01—0132—07

中图分类号：TV312

文献标识码：A

通讯作者：赵杰(1980—)，男，河北邢台人，讲师，博士，主要从事岩土与地下工程稳定、结构工程抗震等方面的研究。

作者简介：金煜皓(1989—)，男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为岩土与地下工程稳定、结构工程抗震。E-mail:jinyuhao1989@163.com

基金项目：辽宁省教育厅一般项目(L2015035)；大连市科技计划项目(2014E13SF145)

收稿日期：2015-09-22修稿日期：2015-10-19

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.025

E-mail:zhaojie-gd@163.com