山东海阳核电一期取水沟道进出口部位抗震分析①

赵　杰， 徐　剑， 王桂萱

(大连大学土木工程技术研究与开发中心,辽宁 大连 116622)



山东海阳核电一期取水沟道进出口部位抗震分析①

赵杰， 徐剑， 王桂萱

(大连大学土木工程技术研究与开发中心,辽宁 大连 116622)

摘要：以山东海阳核电一期取水沟道工程为背景，采用动力时程反应分析方法，利用非线性有限差分软件FLAC3D建立三维土体-结构模型，分析该核电站取水沟道进、出口部位在自重、外水压力、土压力、温度、水锤压力、地震等荷载效应组合下的内力变化情况。通过编制FLAC3D程序并结合五点公式计算衬砌结构的内力，对该核电取水沟道进、出水口部位进行抗震分析。计算结果表明温度荷载、水锤压力以及地震荷载对沟道进出口部位内力影响显著，设计施工时应对薄弱截面进行加密配筋处理。本文的计算方法和分析成果可为核电厂取水沟道地震反应分析以及其他类似结构设计提供参考。

关键词：核电取水沟道； 温度荷载； 水锤压力； 地震荷载； 动力时程反应分析

0引言

核电在给国家经济发展提供高效电力的同时，其安全问题也需要高度重视。尤其是2011年3月日本发生9级大地震之后，福岛发生核泄漏事故，再次引发了各界对核电设施安全的高度关注[1]。取水沟道作为核电厂循环水系统供给设施，具有十分重要的地位，是整个核电设施安全、有效运营的基本保障。因此必须保证该结构抗震的可靠性。

近年来国内外许多学者对管道进行了抗震研究。Parmelee[2]首次将管线简化为半无限空间中的圆柱体，土与管道之间相互作用采用静态Mindin求解，为以后半无限空间理论和相互作用理论奠定了基础。黄忠邦[3]用一维有限元法，输入地震简谐波表达式，对埋地管道在均匀土和非均匀土中的地震反应进行分析，结果表明：在地震波作用下不均匀土中埋地管道的轴向应变比均匀土中增大50%。张进国等[4]根据最小势能原理推导出了地震作用下埋地管道的有限元方程，利用该方程来计算埋地管道在地震裂缝错位作用下的位移、内力及应力。胡永芳等[5]对核电站大直径取水隧道特殊段在横向地震作用下结构安全性进行了分析，并结合结构内力计算结果。分析了特殊段结构的抗震风险。熊占路[6]釆用离散模型对管线进行了地震响应分析,结果表明地震波频率含量对管线应力影响很大。徐平等[7]采用时域积分和迭代的方法研究了沁河倒虹管道在地震作用下的响应，分析了管道截面中间、底部绝对地震位移以及动静综合主应力的变化规律。王桂萱等[8]采用ANSYS实体单元模拟输水管道整体结构，综合分析了温度荷载、地震荷载及管道横截面形式对管道整体结构的内力影响。

上述学者大多是对埋地管道直线段进行抗震分析。本文以山东海阳核电一期取水沟道为工程背景，以沟道进、出水口部位为重点研究对象，采用动力时程分析方法进行抗震分析。通过编制FLAC3D程序并结合五点公式计算衬砌结构的内力，综合分析温度荷载、水锤压力、地震荷载等因素对沟道进、出口部位内力的影响。在此基础上，针对壁厚不同的进、出口部位进行内力对比分析，研究结果可为地下结构抗震设计提供依据。

1动力分析基本原理

1.1动力分析方法

时程分析方法是对结构运动方程直接进行逐步积分的一种动力方法。该法可求得弹性或弹塑性结构随时间变化的位移、速度和加速度等动力反应，进而求出结构的内力时程变化关系。作为一种时域分析方法，它全面考虑了地震波的幅值、频谱、持时三大特性，能真实反应地震灾变过程。本文进行动力时程分析时，假定岩土体材料是具有黏性阻尼的非线性弹性介质，动力分析的反应位移、反应速度和反应加速度三者相互关联，其动力平衡方程[9]为：

(1)

1.2本构关系

本文采用FLAC3D自带的摩尔-库仑弹塑性本构模型，即拉应力截断模型组合的屈服本构模型。相对于其他材料本构模型，该模型能够很好地描述岩土材料的强度特性。利用应力不变量可以将摩尔-库仑屈服准则表述为：

(2)

式中：I1为应力张量的第一不变量；J2为应力偏量的第二不变量；θσ为应力洛德角。摩尔-库仑准则在三维空间的屈服面为不规则六角形截面的角锥体表面。

2工程概况

山东海阳一期核电取水沟道地段自地表以下以中等风化和微风化岩石为主，局部存在不同的风化程度，但其分布范围很小，对整体地基强度或均匀性影响较小，且其力学性质无明显差异，因此该地段地基岩体仍可视为同一力学层。取水沟道断面形式为内圆外方，在汽机房附近沟道内径3.8 m，壁厚0.8 m。核安全用水通过内径2.4 m、壁厚0.6 m的管道进入汽机房，然后由内径2.8 m、壁厚0.8 m的管道排出(图1)。

图1　取水沟道进水及出水部位平面布置图Fig.1　Layout plan of the inlet and outlet of water　　　 intake channel

图2　取水沟道进水口部位结构模型及进水部位　　　三维动力模型Fig.2　Structural model and 3D dynamic model of the inlet

3进出口部位三维分析模型

3.1模型的建立

取水沟道进水口部位三维动力分析模型与静力模型(图2)一致。模型宽97 m，基岩深度自取水沟道底部向下取50 m作为计算范围。三维分析模型中岩体采用六面体单元，共分120 698个单元，61 486个节点。出水口部位三维分析模型宽110 m，基岩深度自取水沟道底部向下取50 m作为计算范围(图3)。模型中岩体采用六面体单元，共分102 769个单元，36 702个节点。沟道动力计算时模型底部设为黏性边界，两侧采用能量透射边界。岩土体本构模型采用摩尔-库仑弹塑性模型模拟。为了模拟开挖过程，采用空单元模型模拟取水沟道的开挖。

图3　取水沟道出水口部位结构模型及出水部位　　　三维动力模型Fig.3　Structural model and 3D dynamic model of the outlet

3.2边界条件设置

在动力问题中，模型周围边界条件的选取是一个主要内容。根据波动理论，当地震波遇到不同介质界面时将产生折射和反射，并与频率相接近的波相互干涉，这会对动力分析的结果产生影响。为准确模拟实际场地中地震波的传播过程，模型中设置人工边界。黏性边界首先由Lysmer和Kuhlemeyer提出[10-12]，具体做法就是在模型的法向与切向分别设置自由的阻尼器，从而实现吸收入射波的目的。阻尼器提供的法向与切向黏性力计算公式分别为：

(3)

其中：vn、vs分别为边界上速度的正向和切向分量；ρ为介质密度;CP、CS分别为P波和S波的在介质中传播速度。

需要注意的是该模型各个侧面的边界条件须考虑没有地面结构时的自由场运动。通过在模型四周生成二维和一维网格方法来实现这种自由场边界条件，柱体网格的侧边界通过阻尼器与自由场网格进行耦合，自由场网格的不平衡力施加到主体网格的边界上。在FLAC3D动力分析中，为准确模拟地震波的传播过程，空间单元尺寸必须小于输入波最高频率成分所对应波长的1/10～1/8。本次计算模型最大的网格宽度为7.64 m，可以考虑地震波主要频谱成分的影响。

3.3地震波的选取

根据核电厂地震安全性评价报告中所提供的地震波，其时程曲线采用基于RG1.60的时程地震波。抗震分析仅需考虑水平地震动作用，不考虑竖向地震动作用。RG1.60的时程地震波的地震动持时28 s，水平向为0.10g。地震波时程曲线见图4。

图4　RG1.60地震波时程曲线Fig.4　Time history curves of seismic wave RG1.60

3.4计算参数

碎石计算参数依据同类工程经验选取(表1)。此外，本文选取取水沟道内外温差为10 ℃进行计算分析。

表 1　取水沟道抗震计算参数

3.5内力计算

利用FLAC3D计算地下结构截面内力分布规律时，采用三维实体单元。截面形状虽能满足工程需求，但实体单元只给出了单元对应的位移及应力结果，无法直接得出相应截面上的内力(如弯矩、剪力和轴力)。因此需要对FLAC3D进行二次开发，并结合五点公式计算衬砌结构的内力。数值计算中，在取水沟道进水口部位选13个控制点，出水口部位选取14个控制点(图5)，以获取控制点内力值：

图5　进、出水口关键部位控制点示意图Fig.5　Sketch map of control points of key parts of the　　　 inlet and outlet

4数值计算与分析

首先，选取6种工况对取水沟道进、出口部位进行计算分析,综合讨论沟道进、出水口部位在自重、外水压力、土压力、温度、水锤压力、地震等荷载效应组合下的内力变化情况；然后选取3种典型的工况，针对壁厚不同的进、出水口部位进行内力对比分析。表2是进、出水口部位内力分析工况组合表。表3是进、出水口部位内力对比分析工况组合表。

表 2　进、出水口内力分析工况组合表

表 3　进、出水口内力对比分析工况组合表

4.1进水口内力分析

选取6种工况，讨论进水口部位在自重、土压力、外水压力、温度、地震等荷载效应组合下的内力变化情况。表4汇总了6种工况下取水沟道进水口部位内力最大值。图6给出了进水口关键部位控制点处弯矩、轴力、剪力最大绝对值柱形对比图。

表 4　进水口部位内力值汇总表

图6　进水口部位弯矩、轴力及剪力柱形对比图Fig.6　Comparative histogram of the bending moment,　　　 axial force, and shear force of the inlet

比较工况1、2可知，工况2下进水口部位内力值明显高于工况1,其中弯矩、轴力和剪力分别上升了7.8%、4.9%及23%,可见管内温度高于管外温度对进水口部位内力影响较为显著,因此可视管内温度高为更加危险工况。相对于工况3，工况2下进水口部位弯矩、剪力分别上升了2.5%、4.1%,轴力下降了1.6%。运行期弯矩有所增加是由于管道压力造成的。相对于工况1、2、3，工况4下进水口部位弯矩分别上升17.5%、4.8%、7.5%；剪力分别上升32.9%、7.9%、12.4%；轴力分别上升1.5%和下降了4.8%、7.5%。可见在其他荷载相同时，水锤压力对进水口部位内力影响十分显著，因此可视工况4为进水口部位静力分析时控制工况。比较工况2、5以及工况3、6可知，地震作用时运行期和检修期沟道进水口部位弯矩、轴力、剪力分别上升了10.9%、11.6%、61.4%和10.1%、12.1%、61.9%。可见在其他荷载相同时，地震荷载对进水口部位内力显著十分影响，因此设计施工时应对进水口薄弱部位进行加密配筋处理。比较工况5、6可知，工况5下沟道进水口部位弯矩提高了3.2%，因此可将工况5视为动力分析时控制工况。

4.2出水口内力分析

选取6种工况，讨论出水口部位在自重、土压力、外水压力、温度、地震等荷载效应组合下的内力。表5汇总了6种工况下取水沟道出水口部位内力最大值。图7给出了出水口关键部位控制点处弯矩、轴力、剪力最大绝对值柱形对比图。

比较工况1、2可知，工况2下出水口部位弯矩、轴力上升了9.9%、18.6%，剪力下降37.9%,可见管内温度高于管外温度对出水口部位内力影响较为显著,因此可视管内温度高时为更危险工况。相对于工况3，工况2下沟道出水口部位弯矩上升了3.6%，轴力和剪力分别下降了24.1%及17.9%。运行期弯矩有所增加是由于管道压力造成的。相对于工况1、2、3，工况4下出水口部位弯矩分别上升了19.5%、8.7%、12.7%；剪力分别上升了174.1%、131.1%、81.2%；轴力分别上升了19.9%、65.4%、40.4%。可见在其他荷载相同时，水锤压力对出水口部位内力影响十分显著，因此可视工况4为出水口部位静力分析时控制工况。比较工况2、5以及工况3、6可知，地震作用下运行期和检修期沟道出水口部位弯矩、轴力、剪力分别上升了11.7%、14.1%、35.9%和7.7%、14.2%、18.8%。可见在其他荷载相同时，地震荷载对出水口部位内力影响十分显著，因此在设计、施工中应对出水部位薄弱部位进行加密配筋处理。比较工况5、6可知，工况5下沟道出水口部位弯矩提高了4.3%，因此可将工况5视为动力分析时控制工况。

图7　出水口部位弯矩、轴力及剪力柱形对比图Fig.7　Comparative histogram of the bending mement,　　　 axial force, and shear force of the outlet

工况内力弯矩/(kN·m)轴力/kN剪力/kN①408.9515-162.1②-449.5-610.9117.5③-433.7-758.3-138.5④-488.71411.7194.4⑤-502.2-799.9-266.6⑥-484.3-865.6-230.9

4.3 进、出水口部位对比内力分析

针对壁厚不同的进、出口部位，选取3种典型工况进行内力对比分析。表6给出了3种工况下进、出口部位最大内力对比分析表。

表6　进、出口部位内力对比分析表

由表6可知，由于出水口部位壁厚大于进水口部位，在工况7、8、9下出水口部位弯矩值较进水口部位有大幅度的提高，最大差异是77.5%，最小差异是41.6%。轴力和剪力在工况7、9下都有一定的下降，最大差异分别为17.3%和41.9%；最小差异分别为14.8%和19.5%。轴力和剪力在工况8下有一定的上升，上升幅度分别为103.7%、28.2%。综上可知，壁厚对沟道的内力影响十分显著。

5结语

利用非线性有限差分软件FLAC3D建立三维土体-结构模型，阐述利用FLAC3D程序进行地下结构动力分析的关键性问题。针对场地地质特征和回填条件开展取水沟道进、出口部位地震响应分析，结果表明：(1)温度荷载对内力的影响较为显著，可视管内温度高于管外温度时为更加危险工况；(2)水锤压力对沟道出水口处的内力影响十分显著，可以将该工况作为静力分析的控制工况；(3)地震荷载对沟道出水口处的内力影响十分显著，在设计、施工时应对薄弱部位进行加密配筋处理；(4)壁厚对沟道的内力有很大的影响，壁厚越厚内力越大。

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Seismic Analysis of Water Intake Channel Inlet/Outlet for Haiyang Nuclear Power Project in Shandong

ZHAO Jie, XU Jian, WANG Gui-xuan

(ResearchandDevelopmentCenterofCivilEngineeringTechnology,DalianUniversity,Dalian116622,Liaoning，China)

Abstract：This paper is based on the first stage of a water channel project of the Haiyang nuclear power project in Shandong Province. Using a dynamic time history response analysis method, we establish a three-dimensional soil structure model using the nonlinear finite difference software FLAC3D. We analyze the internal force changes of the nuclear power station's water channel under the combined effect of weight, water pressure, soil pressure, temperature, water hammer pressure, and seismic load. We carried out the seismic analysis of the inlet and outlet of the nuclear power station by FLACE3D programming, and calculated the internal force of the lining structure using a five-point formula. First, we addressed the internal force changes of the inlet-outlet channel position under the combined effect of weight, water pressure, soil pressure, temperature, water hammer pressure, and seismic load. Secondly, we selected three typical conditions and performed a comparative analysis of the internal force of the inlet-outlet position with different wall thicknesses. The calculation results show that: (1) Temperature has a significant effect on the internal channel outlet position if the internal temperature is greater than the external temperature. (2) Water hammer pressure force has a significant effect on the outlet of the channel, which can be used as a control condition for static analysis. (3) Seismic load also has a significant effect on the outlet of the channel, which can be used as a control condition for seismic analysis. (4) Different wall thicknesses also have a significant effect on the outlet of the channel; the thicker the wall thickness, the greater is the internal force. Therefore, based on the above conclusions, weak cross sections should be reinforced when being designed and constructed. The calculation method and analysis results in this paper can provide a reference for seismic response analysis of water channels in the nuclear power plants and in other similar structures.

Key words：water intake channel for nuclear power project; temperature load; water hammer pressure; seismic load; analysis of dynamic timeLiaoning-history response

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0185

中图分类号:TU352.1+1;TM623

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)02-0185-07

作者简介：赵 杰(1980-)，男(汉族)，河北邢台人，讲师，博士，从事岩土与地下结构稳定分析、工程抗震研究。E-mail：zhaojie_gd@163.com。

基金项目：辽宁省教育厅项目(12015035)；大连市科技计划项目(2014E13SF145)

收稿日期:①2015-02-06