CN103514307A - 一种预应力混凝土安全壳结构极限承载力的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预应力混凝土安全壳结构极限承载力的分析方法，包括：（1）选择有限元分析平台，制定分析技术要求；（2）建立预应力钢束有限元模型；（3）建立混凝土、钢衬里、普通钢筋的三维有限元模型；（4）确定混凝土与预应力钢筋、普通钢筋、钢衬里的变形协调关系，形成完整预应力混凝土安全壳三维有限元模型；（5）施加荷载和边界条件，对安全壳受力进行非线性计算；（6）分析计算结果，确定安全壳的结构极限承载力，评价安全壳的安全余量。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构的非线性分析领域，具体涉及一种新的核电厂预应力混凝土安全壳结构极限承载力分析方法。
背景技术
预应力混凝土安全壳结构极限承载力是指安全壳无法继续执行安全屏障功能时的承载能力，其分析有别于一般结构设计进行的弹性计算，它将涉及到材料及几何非线性问题。通过预应力混凝土安全壳结构极限承载力的分析，可以评价安全壳的安全余量。
常规的预应力混凝土安全壳结构极限承载力的分析方法有两种，一种是采用轴对称模型进行分析，此方法忽略了设备闸门、人员闸门等大开口以及扶壁柱对安全壳的影响，预应力效应也采用施加外压等简化方式进行模拟，因此分析仅能大致给出安全壳的变形以及极限承载力。
另一种是采用简化后的三维有限元模型进行分析，该方法采用三维实体单元模拟混凝土安全壳，但预应力钢束效应采用膜单元或者外压等方式进行模拟，不能准确反映预应力钢束初始应力状况以及其随荷载的变化，因此分析所得结果仍不够准确。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种可靠的预应力混凝土安全壳结构极限承载力的分析方法。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种可靠的预应力混凝土安全壳结构极限承载力的分析方法，包括以下步骤：
（1）选择有限元分析平台，制定分析技术要求；
（2）建立预应力钢束有限元模型：根据安全壳中预应力钢束的具体布置及初始预应力分布，采用matlab编制程序计算得到预应力钢束的空间几何信息及其不同位置处的初始预应力值，建立预应力钢束的有限元模型；
（3）建立混凝土、钢衬里、普通钢筋的三维有限元模型：根据安全壳的实际几何形状、钢衬里布置以及普通钢筋的配筋情况，采用有限元软件分别建立起混凝土、钢衬里以及普通钢筋的几何模型，选用合适的单元类型及合理的网格划分，得到混凝土、普通钢筋、钢衬里的三维有限元模型；
（4）建立混凝土与预应力钢筋、普通钢筋、钢衬里的变形协调关系：通过有限元软件提供的“约束方程”的功能建立起混凝土与预应力钢筋、普通钢筋、钢衬里的变形协调关系，形成预应力混凝土安全壳的整个三维有限元模型；
（5）施加荷载和边界条件，采用隐式求解器进行非线性计算，并对过程中出现难以收敛的情况进行处理；
（6）分析计算结果，确定安全壳的结构极限承载力，评价安全壳的安全余量。
进一步，步骤（5）中，通过从预应力施加、内压施加直至随着内压的不断增大混凝土破坏、钢衬里屈服的整个过程的受力计算，给出各阶段混凝土、预应力钢束、钢衬里以及普通钢筋的工作状况。
进一步，步骤（5）中，根据以下两条判定准则确定安全壳的极限承载力：1）大部分混凝土开裂并退出工作，2）钢衬里出现区域性的屈服。
进一步，步骤（6）中，判断安全壳极限承载力是否合理的标准是安全壳能否继续承受内压和防止放射性气体的泄露。
本发明的有益效果如下：
1）通过精确模拟贯穿孔、设备闸门加厚区、扶壁柱、钢衬里等处混凝土的荷载条件，建立了与实际安全壳一致的三维有限元模型，同时准确施加安全壳的预应力效应，从而克服常规分析方法在建模阶段存在的缺陷，实现精确计算安全壳极限承载力；
2）充分考虑安全壳在核电厂的特殊地位，发挥有限元软件优势，详细计算整个受力过程，得到比常规分析更为合理的结果，确定核电厂中安全壳结构极限承载力合理的判定准则。
附图说明
图1为一种预应力混凝土安全壳结构极限承载力的分析方法的流程图。
图2为预应力混凝土安全壳剖面图。
图3为预应力钢束有限元模型示意图，其中图3-1为筒体竖向预应力钢束模型示意图、图3-2为筒体水平预应力钢束模型示意图、图3-3为穹顶预应力钢束模型示意图。
图4为钢束初始预应力分布图。
图5为混凝土三维有限元模型示意图。
图6为钢衬里有限元模型示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
预应力混凝土安全壳分为穹顶和筒体，扁壳形穹顶通过环梁与呈圆柱型的筒体相接，安全壳内侧完全由密封的钢衬里覆盖，筒壁外侧在互成180°位置处设置四个扶壁柱，用于水平预应力钢束的张拉，剖面图如图2所示。内压作用下安全壳的结构极限承载力分析按照以下步骤进行实施：
（1）采用通用的大型商用隐式有限元分析软件Abaqus/Standard作为计算平台，制订相关的分析技术要求。
（2）建立预应力钢束有限元模型。
有限元模型中预应力钢束的信息主要包括钢束的空间位置和钢束中预应力大小两方面的内容。由于核电站安全壳中预应力钢束具有数量众多、空间位置特别复杂、预应力损失随钢束长度变化等特点，本发明采用matlab编程方法得到预应力钢束的空间位置及其预应力大小的信息，形成有限元程序Abaqus的输入文件。预应力钢束采用桁架单元T3D2模拟，预应力钢束作为弹性材料考虑。
a)确定预应力钢束空间位置
首先，根据预应力钢束的施工图得到其空间位置信息（空间位置的函数表达）。然后，通过matlab程序，定义适当的单元尺寸，对预应力钢束进行离散，得到钢束每个单元节点的几何坐标、单元编号等钢束的空间位置信息。最后，形成有限元程序Abaqus的输入文件。图3为得到的预应力钢束空间布置图。
b)确定钢束中预应力值
钢束中的预应力值是指钢束在考虑各种预应力损失之后存在的预应力值。预应力损失主要由张拉锚具变形和钢筋内缩、预应力钢束的摩擦、钢束松弛、混凝土的收缩和徐变等引起。模拟时，对于混凝土收缩和徐变引起的损失通过取核电站设计中常用的定值来进行考虑，其余情况引起的预应力损失均按照有关文件中求预应力损失的规定，采用matlab编程的方法精确计算出了每个钢束单元中的预应力损失，考虑了预应力损失后的钢束初始预应力分布如图4所示。
（3）建立混凝土、钢衬里、普通钢筋的三维有限元模型。
混凝土采用三维实体单元进行模拟，建模过程中按实际情况考虑了安全壳设备闸门、人员闸门以及主蒸汽主给水等处的贯穿孔、设备闸门加厚区、扶壁柱等。混凝土采用ABAQUS提供的具有较好收敛性的弹塑性断裂和损伤材料模型（Damaged Plasticity Model），其本构关系按《混凝土结构设计规范》建立。混凝土三维有限元模型如图5所示。
钢衬里采用壳单元模拟，钢衬里材料性能采用等向强化模型，壳单元与混凝土内表面实体单元共节点，不考虑两者的相对位移，建好的模型如图6所示。
按照安全壳中普通钢筋的实际配筋，采用离散式方法建立了普通钢筋的有限元模型。
（4）建立混凝土与预应力钢筋、普通钢筋、钢衬里的变形协调关系。
通过Abaqus软件提供的类似“约束方程”功能的命令“embedded region”建立起混凝土与预应力钢筋、普通钢筋、钢衬里的变形协调关系，形成预应力混凝土安全壳的整个三维有限元模型。
（5）在安全壳筒体底部施加固结的边界条件后，在安全壳内表面线性增大内压，采用隐式求解器进行非线性计算，并对过程中出现难以收敛的情况进行处理，可采用的方法包括子步数设置调整、收敛准则及其精度的调整、阻尼力的适当采用等。
（6）对计算结果进行分析，确定安全壳的结构极限承载力，合理确定安全壳结构极限承载力的判定准则，评价安全壳的安全余量。
安全壳结构极限承载力决定于安全壳能否继续承受内压和防止放射性气体的泄露，而这取决于钢衬里的完整性。一般来讲，钢衬里撕裂时的应变可达20%左右。因为迭代收敛性的原因，远未到钢衬里撕裂时的应变就退出计算。因此将钢衬里出现区域性的屈服作为其失去完整性的标志。所以，确定安全壳的极限承载力按以下两个条件：大部分混凝土开裂并退出工作；钢衬里出现区域性的屈服。
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。
Claims (4)
1.一种预应力混凝土安全壳结构极限承载力的分析方法，包括以下步骤：
（1）选择有限元分析平台，制定分析技术要求；
（2）建立预应力钢束有限元模型：根据安全壳中预应力钢束的具体布置及初始预应力分布，编制程序计算得到预应力钢束的空间几何信息及其不同位置处的初始预应力值，建立预应力钢束的有限元模型；
（3）建立混凝土、钢衬里、普通钢筋的三维有限元模型：根据安全壳的实际几何形状、钢衬里布置以及普通钢筋的配筋情况，利用有限元软件分别建立混凝土、钢衬里以及普通钢筋的几何模型，根据几何模型选取单元类型及网格划分，得到混凝土、普通钢筋、钢衬里的三维有限元模型；
（4）确定混凝土与预应力钢筋、普通钢筋、钢衬里的变形协调关系，形成完整预应力混凝土安全壳三维有限元模型；
（5）施加荷载和边界条件，采用隐式求解器进行非线性计算，并对过程中出现难以收敛的情况进行处理；
（6）分析计算结果，确定安全壳的结构极限承载力，评价安全壳的安全余量。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤（5）中，通过从预应力施加、内压施加直至随着内压的不断增大混凝土破坏、钢衬里屈服的整个过程的受力计算，给出各阶段混凝土、预应力钢束、钢衬里以及普通钢筋的工作状况。
3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤（5）中，根据以下两条判定准则确定安全壳的极限承载力：1）大部分混凝土开裂并退出工作，2）钢衬里出现区域性的屈服。
4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，步骤（6）中，判断安全壳极限承载力是否合理的标准是安全壳能否继续承受内压和防止放射性气体的泄露。
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| PB01 | Publication | ||
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