山東海陽核電一期取水溝道進出口部位抗震分析①

趙　杰， 徐　劍， 王桂萱

(大連大學土木工程技術研究與開發中心,遼寧 大連 116622)

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山東海陽核電一期取水溝道進出口部位抗震分析①

趙杰， 徐劍， 王桂萱

(大連大學土木工程技術研究與開發中心,遼寧 大連 116622)

摘要：以山東海陽核電一期取水溝道工程為背景，采用動力時程反應分析方法，利用非線性有限差分軟件FLAC3D建立三維土體-結構模型，分析該核電站取水溝道進、出口部位在自重、外水壓力、土壓力、溫度、水錘壓力、地震等荷載效應組合下的內力變化情況。通過編制FLAC3D程序并結合五點公式計算襯砌結構的內力，對該核電取水溝道進、出水口部位進行抗震分析。計算結果表明溫度荷載、水錘壓力以及地震荷載對溝道進出口部位內力影響顯著，設計施工時應對薄弱截面進行加密配筋處理。本文的計算方法和分析成果可為核電廠取水溝道地震反應分析以及其他類似結構設計提供參考。

關鍵詞：核電取水溝道； 溫度荷載； 水錘壓力； 地震荷載； 動力時程反應分析

0引言

核電在給國家經濟發展提供高效電力的同時，其安全問題也需要高度重視。尤其是2011年3月日本發生9級大地震之后，福島發生核泄漏事故，再次引發了各界對核電設施安全的高度關注[1]。取水溝道作為核電廠循環水系統供給設施，具有十分重要的地位，是整個核電設施安全、有效運營的基本保障。因此必須保證該結構抗震的可靠性。

近年來國內外許多學者對管道進行了抗震研究。Parmelee[2]首次將管線簡化為半無限空間中的圓柱體，土與管道之間相互作用采用靜態Mindin求解，為以后半無限空間理論和相互作用理論奠定了基礎。黃忠邦[3]用一維有限元法，輸入地震簡諧波表達式，對埋地管道在均勻土和非均勻土中的地震反應進行分析，結果表明：在地震波作用下不均勻土中埋地管道的軸向應變比均勻土中增大50%。張進國等[4]根據最小勢能原理推導出了地震作用下埋地管道的有限元方程，利用該方程來計算埋地管道在地震裂縫錯位作用下的位移、內力及應力。胡永芳等[5]對核電站大直徑取水隧道特殊段在橫向地震作用下結構安全性進行了分析，并結合結構內力計算結果。分析了特殊段結構的抗震風險。熊占路[6]釆用離散模型對管線進行了地震響應分析,結果表明地震波頻率含量對管線應力影響很大。徐平等[7]采用時域積分和迭代的方法研究了沁河倒虹管道在地震作用下的響應，分析了管道截面中間、底部絕對地震位移以及動靜綜合主應力的變化規律。王桂萱等[8]采用ANSYS實體單元模擬輸水管道整體結構，綜合分析了溫度荷載、地震荷載及管道橫截面形式對管道整體結構的內力影響。

上述學者大多是對埋地管道直線段進行抗震分析。本文以山東海陽核電一期取水溝道為工程背景，以溝道進、出水口部位為重點研究對象，采用動力時程分析方法進行抗震分析。通過編制FLAC3D程序并結合五點公式計算襯砌結構的內力，綜合分析溫度荷載、水錘壓力、地震荷載等因素對溝道進、出口部位內力的影響。在此基礎上，針對壁厚不同的進、出口部位進行內力對比分析，研究結果可為地下結構抗震設計提供依據。

1動力分析基本原理

1.1動力分析方法

時程分析方法是對結構運動方程直接進行逐步積分的一種動力方法。該法可求得彈性或彈塑性結構隨時間變化的位移、速度和加速度等動力反應，進而求出結構的內力時程變化關系。作為一種時域分析方法，它全面考慮了地震波的幅值、頻譜、持時三大特性，能真實反應地震災變過程。本文進行動力時程分析時，假定巖土體材料是具有黏性阻尼的非線性彈性介質，動力分析的反應位移、反應速度和反應加速度三者相互關聯，其動力平衡方程[9]為：

(1)

1.2本構關系

本文采用FLAC3D自帶的摩爾-庫侖彈塑性本構模型，即拉應力截斷模型組合的屈服本構模型。相對于其他材料本構模型，該模型能夠很好地描述巖土材料的強度特性。利用應力不變量可以將摩爾-庫侖屈服準則表述為：

(2)

式中：I1為應力張量的第一不變量；J2為應力偏量的第二不變量；θσ為應力洛德角。摩爾-庫侖準則在三維空間的屈服面為不規則六角形截面的角錐體表面。

2工程概況

山東海陽一期核電取水溝道地段自地表以下以中等風化和微風化巖石為主，局部存在不同的風化程度，但其分布范圍很小，對整體地基強度或均勻性影響較小，且其力學性質無明顯差異，因此該地段地基巖體仍可視為同一力學層。取水溝道斷面形式為內圓外方，在汽機房附近溝道內徑3.8 m，壁厚0.8 m。核安全用水通過內徑2.4 m、壁厚0.6 m的管道進入汽機房，然后由內徑2.8 m、壁厚0.8 m的管道排出(圖1)。

圖1　取水溝道進水及出水部位平面布置圖Fig.1　Layout plan of the inlet and outlet of water　　　 intake channel

圖2　取水溝道進水口部位結構模型及進水部位　　　三維動力模型Fig.2　Structural model and 3D dynamic model of the inlet

3進出口部位三維分析模型

3.1模型的建立

取水溝道進水口部位三維動力分析模型與靜力模型(圖2)一致。模型寬97 m，基巖深度自取水溝道底部向下取50 m作為計算范圍。三維分析模型中巖體采用六面體單元，共分120 698個單元，61 486個節點。出水口部位三維分析模型寬110 m，基巖深度自取水溝道底部向下取50 m作為計算范圍(圖3)。模型中巖體采用六面體單元，共分102 769個單元，36 702個節點。溝道動力計算時模型底部設為黏性邊界，兩側采用能量透射邊界。巖土體本構模型采用摩爾-庫侖彈塑性模型模擬。為了模擬開挖過程，采用空單元模型模擬取水溝道的開挖。

圖3　取水溝道出水口部位結構模型及出水部位　　　三維動力模型Fig.3　Structural model and 3D dynamic model of the outlet

3.2邊界條件設置

在動力問題中，模型周圍邊界條件的選取是一個主要內容。根據波動理論，當地震波遇到不同介質界面時將產生折射和反射，并與頻率相接近的波相互干涉，這會對動力分析的結果產生影響。為準確模擬實際場地中地震波的傳播過程，模型中設置人工邊界。黏性邊界首先由Lysmer和Kuhlemeyer提出[10-12]，具體做法就是在模型的法向與切向分別設置自由的阻尼器，從而實現吸收入射波的目的。阻尼器提供的法向與切向黏性力計算公式分別為：

(3)

其中：vn、vs分別為邊界上速度的正向和切向分量；ρ為介質密度;CP、CS分別為P波和S波的在介質中傳播速度。

需要注意的是該模型各個側面的邊界條件須考慮沒有地面結構時的自由場運動。通過在模型四周生成二維和一維網格方法來實現這種自由場邊界條件，柱體網格的側邊界通過阻尼器與自由場網格進行耦合，自由場網格的不平衡力施加到主體網格的邊界上。在FLAC3D動力分析中，為準確模擬地震波的傳播過程，空間單元尺寸必須小于輸入波最高頻率成分所對應波長的1/10～1/8。本次計算模型最大的網格寬度為7.64 m，可以考慮地震波主要頻譜成分的影響。

3.3地震波的選取

根據核電廠地震安全性評價報告中所提供的地震波，其時程曲線采用基于RG1.60的時程地震波。抗震分析僅需考慮水平地震動作用，不考慮豎向地震動作用。RG1.60的時程地震波的地震動持時28 s，水平向為0.10g。地震波時程曲線見圖4。

圖4　RG1.60地震波時程曲線Fig.4　Time history curves of seismic wave RG1.60

3.4計算參數

碎石計算參數依據同類工程經驗選取(表1)。此外，本文選取取水溝道內外溫差為10 ℃進行計算分析。

表 1　取水溝道抗震計算參數

3.5內力計算

利用FLAC3D計算地下結構截面內力分布規律時，采用三維實體單元。截面形狀雖能滿足工程需求，但實體單元只給出了單元對應的位移及應力結果，無法直接得出相應截面上的內力(如彎矩、剪力和軸力)。因此需要對FLAC3D進行二次開發，并結合五點公式計算襯砌結構的內力。數值計算中，在取水溝道進水口部位選13個控制點，出水口部位選取14個控制點(圖5)，以獲取控制點內力值：

圖5　進、出水口關鍵部位控制點示意圖Fig.5　Sketch map of control points of key parts of the　　　 inlet and outlet

4數值計算與分析

首先，選取6種工況對取水溝道進、出口部位進行計算分析,綜合討論溝道進、出水口部位在自重、外水壓力、土壓力、溫度、水錘壓力、地震等荷載效應組合下的內力變化情況；然后選取3種典型的工況，針對壁厚不同的進、出水口部位進行內力對比分析。表2是進、出水口部位內力分析工況組合表。表3是進、出水口部位內力對比分析工況組合表。

表 2　進、出水口內力分析工況組合表

表 3　進、出水口內力對比分析工況組合表

4.1進水口內力分析

選取6種工況，討論進水口部位在自重、土壓力、外水壓力、溫度、地震等荷載效應組合下的內力變化情況。表4匯總了6種工況下取水溝道進水口部位內力最大值。圖6給出了進水口關鍵部位控制點處彎矩、軸力、剪力最大絕對值柱形對比圖。

表 4　進水口部位內力值匯總表

圖6　進水口部位彎矩、軸力及剪力柱形對比圖Fig.6　Comparative histogram of the bending moment,　　　 axial force, and shear force of the inlet

比較工況1、2可知，工況2下進水口部位內力值明顯高于工況1,其中彎矩、軸力和剪力分別上升了7.8%、4.9%及23%,可見管內溫度高于管外溫度對進水口部位內力影響較為顯著,因此可視管內溫度高為更加危險工況。相對于工況3，工況2下進水口部位彎矩、剪力分別上升了2.5%、4.1%,軸力下降了1.6%。運行期彎矩有所增加是由于管道壓力造成的。相對于工況1、2、3，工況4下進水口部位彎矩分別上升17.5%、4.8%、7.5%；剪力分別上升32.9%、7.9%、12.4%；軸力分別上升1.5%和下降了4.8%、7.5%。可見在其他荷載相同時，水錘壓力對進水口部位內力影響十分顯著，因此可視工況4為進水口部位靜力分析時控制工況。比較工況2、5以及工況3、6可知，地震作用時運行期和檢修期溝道進水口部位彎矩、軸力、剪力分別上升了10.9%、11.6%、61.4%和10.1%、12.1%、61.9%。可見在其他荷載相同時，地震荷載對進水口部位內力顯著十分影響，因此設計施工時應對進水口薄弱部位進行加密配筋處理。比較工況5、6可知，工況5下溝道進水口部位彎矩提高了3.2%，因此可將工況5視為動力分析時控制工況。

4.2出水口內力分析

選取6種工況，討論出水口部位在自重、土壓力、外水壓力、溫度、地震等荷載效應組合下的內力。表5匯總了6種工況下取水溝道出水口部位內力最大值。圖7給出了出水口關鍵部位控制點處彎矩、軸力、剪力最大絕對值柱形對比圖。

比較工況1、2可知，工況2下出水口部位彎矩、軸力上升了9.9%、18.6%，剪力下降37.9%,可見管內溫度高于管外溫度對出水口部位內力影響較為顯著,因此可視管內溫度高時為更危險工況。相對于工況3，工況2下溝道出水口部位彎矩上升了3.6%，軸力和剪力分別下降了24.1%及17.9%。運行期彎矩有所增加是由于管道壓力造成的。相對于工況1、2、3，工況4下出水口部位彎矩分別上升了19.5%、8.7%、12.7%；剪力分別上升了174.1%、131.1%、81.2%；軸力分別上升了19.9%、65.4%、40.4%。可見在其他荷載相同時，水錘壓力對出水口部位內力影響十分顯著，因此可視工況4為出水口部位靜力分析時控制工況。比較工況2、5以及工況3、6可知，地震作用下運行期和檢修期溝道出水口部位彎矩、軸力、剪力分別上升了11.7%、14.1%、35.9%和7.7%、14.2%、18.8%。可見在其他荷載相同時，地震荷載對出水口部位內力影響十分顯著，因此在設計、施工中應對出水部位薄弱部位進行加密配筋處理。比較工況5、6可知，工況5下溝道出水口部位彎矩提高了4.3%，因此可將工況5視為動力分析時控制工況。

圖7　出水口部位彎矩、軸力及剪力柱形對比圖Fig.7　Comparative histogram of the bending mement,　　　 axial force, and shear force of the outlet

工況內力彎矩/(kN·m)軸力/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 進、出水口部位對比內力分析

針對壁厚不同的進、出口部位，選取3種典型工況進行內力對比分析。表6給出了3種工況下進、出口部位最大內力對比分析表。

表6　進、出口部位內力對比分析表

由表6可知，由于出水口部位壁厚大于進水口部位，在工況7、8、9下出水口部位彎矩值較進水口部位有大幅度的提高，最大差異是77.5%，最小差異是41.6%。軸力和剪力在工況7、9下都有一定的下降，最大差異分別為17.3%和41.9%；最小差異分別為14.8%和19.5%。軸力和剪力在工況8下有一定的上升，上升幅度分別為103.7%、28.2%。綜上可知，壁厚對溝道的內力影響十分顯著。

5結語

利用非線性有限差分軟件FLAC3D建立三維土體-結構模型，闡述利用FLAC3D程序進行地下結構動力分析的關鍵性問題。針對場地地質特征和回填條件開展取水溝道進、出口部位地震響應分析，結果表明：(1)溫度荷載對內力的影響較為顯著，可視管內溫度高于管外溫度時為更加危險工況；(2)水錘壓力對溝道出水口處的內力影響十分顯著，可以將該工況作為靜力分析的控制工況；(3)地震荷載對溝道出水口處的內力影響十分顯著，在設計、施工時應對薄弱部位進行加密配筋處理；(4)壁厚對溝道的內力有很大的影響，壁厚越厚內力越大。

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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

中圖分類號:TU352.1+1;TM623

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)02-0185-07

作者簡介：趙 杰(1980-)，男(漢族)，河北邢臺人，講師，博士，從事巖土與地下結構穩定分析、工程抗震研究。E-mail：zhaojie_gd@163.com。

基金項目：遼寧省教育廳項目(12015035)；大連市科技計劃項目(2014E13SF145)

收稿日期:①2015-02-06