CN103559383B - 核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其包括以下步骤：步骤一，建立防波堤和海床地基的三维有限元模型；步骤二，通过向步骤一得到的防波堤系统三维有限元模型中导入土体及防波堤结构的初始应力进行初始工况仿真，得到防波堤系统的初始应力状态；步骤三，向步骤二中初始状态的防波堤系统三维有限元模型中添加外部仿真条件后，应用显式非线性有限元方法在超级计算机平台上进行求解，得到防波堤的地震响应；步骤四，利用步骤三得到的防波堤系统动态地震响应对防波堤抗震性能做出评定。本发明可以提高了计算效率及精度，可以缩短防波堤设计工期，为防波堤系统及类似海防工程的抗震设计提供更准确和合理的科学指导。

Description

核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法

技术领域

本发明涉及一种防波堤地震安全性技术领域的方法，特别是涉及一种核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法。

背景技术

近年来，国家逐步意识到核电发展的重要性，大力开发核电资源，未来十五年到二十年内，我国将再建大型核电站24座，装机总容量将达到4000万千瓦。核电资源的本质决定了其固有的放射性危险，如何安全利用核电资源势必成为核电发展所要考虑的首要因素。核电站厂址多数临海，防浪堤作为核电厂海防工程可以抵御海潮及海啸对核电厂区的威胁，地震时一旦发生破坏，将严重威胁核电厂区运营安全。因此，通过动力计算得到防浪堤动态地震响应及破坏模式，对核电站的安全运营具有举足轻重的意义。

经对现有技术的检索发现，在防波堤抗震性能数值模拟领域，有限元方法以其准确高效的特点得到了广泛的应用，成为这一领域使用的主要方法。然而目前大量研究都是建立在二维简化模型的基础上进行的，多数仿真中也没有考虑材料塑性对防波堤抗震性能的影响。以往研究偏重于时间变化特征，一般将防波堤模型简化为平面应变模型，从强度及频谱等方面来进行研究，在进行分析时，多假设各支点所受的激励是一致的，但防波堤结构轴线长度较长，属于典型的空间结构，地震波到达各点的时间不同，引起的响应必然存在差异。另外，地震波在结构内部会发生反射、折射以及叠加，地震波传播过程中能量耗散会引起衰减效应，以及沿岸地质条件差异等因素也都不容忽视。因此对于沿海防波堤工程，至今缺乏有效的方法对防波堤整体三维有限元模型进行抗震性能模拟。

进一步检索发现，王丽艳等在《岩土力学》2011，Vol31(11):3556-3562上发表的“砂性地基中防波堤地震残余变形机制分析与液化度预测法”采用多重剪切机构塑性模型，分析了防波堤地震中的残余变形机制。文中采用塑性模型对防波堤地震响应进行了仿真，但其研究是基于二维模型进行的，不能考虑地震过程中的行波效应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其根据防波堤工程抗震设计的特点和抗震要求，借助超级计算机的高速计算和海量数据处理能力，提高防波堤抗震性能模拟的准确性和全面性，为防波堤工程的抗震设计提供指导。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，建立防波堤和海床地基的三维有限元模型，其中：防波堤有限元模型包括堆石模型，填土模型，土工织料模型，镇脚模型，空心块模型以及挡浪墙模型；海床地基模型为层状土模型；防波堤堆石、填土以及土工织料采用共节点连接方式，并与护面结构采用动态接触连接；防波堤堆石底部与海床地基表面采用固连接触连接；海床地基土层间均采用共节点连接；模型边界设置粘弹性人工边界条件；

步骤二，通过向步骤一得到的防波堤系统三维有限元模型中导入土体及防波堤结构的初始应力进行初始工况仿真，得到防波堤系统的初始应力状态；

步骤三，向步骤二中初始状态的防波堤系统三维有限元模型中添加外部仿真条件后，应用显式非线性有限元方法在超级计算机平台上进行求解，得到防波堤的地震响应；

步骤四，利用步骤三得到的防波堤系统动态地震响应对防波堤抗震性能做出评定；防波堤系统最大沉降小于设计允许值则认为防波堤系统抗震性能良好，否则对防波堤结构设计进行改进并重新模拟直至其满足抗震要求。

优选地，所述步骤二采用基于接触负载均衡的并行计算方法，具体包括以下步骤：

步骤二十一，对整体有限元模型加载重力，为避免加载过程中的冲击，重力按照一定斜率从零缓慢增大到最终值；设置适当的全局阻尼，并在外海侧防波堤及海床表面施加附加质量及静水压力，使应力在一定时间后达到平衡状态；

步骤二十二，将平衡状态下的土体应力场导出，作为初始地应力加载；同时仍对整体模型施加重力载荷进行地应力平衡；

步骤二十三，将步骤二十二的平衡状态下土体及堆石体应力场导出，作为初始应力加载；同时对整体模型加载重力直至平衡；

步骤二十四，将步骤二十三的平衡状态下整体模型所有单元的应力导出，作为后续地震分析的初始应力场。

优选地，所述防波堤有限元模型为按照几何结构建立的三维有限元模型；海床地基模型为防波堤周围海床表面至地下200m范围内的三维有限元模型；空心块模型为标准空心块的简化体。

优选地，所述三维有限元模型材料本构为基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性本构。

优选地，所述全局阻尼是指Rayleigh阻尼，其表达式为：

C＝αM+βK

其中M为质量矩阵；K为刚度矩阵；根据振型正交条件，α＝ξω,β＝ξ/ω，其中ξ为结构的阻尼比，ω为结构的固有频率。

优选地，所述附加质量指采用Westergaard公式计算得到的动水压力影响，其计算公式为：

$M_{Ei}=\frac{\mathrm{\α}}{90}\frac{7}{8}\mathrm{\ρ}\sqrt{H_0{y}_i}{A}_i$

其中ρ为海水的密度；H₀为堤前水深；y_i为计算点处单元形心到水面的水深；α堤面与水平面的夹角；A_i为单元控制面积。

优选地，所述外部仿真条件是指输入地震波激励，包括一致性地震激励和非一致性地震激励。

优选地，所述一致性地震激励是指在底部所有节点施加相同的地震时程激励。

优选地，所述非一致性地震激励是指：底部节点在地震波传播方向上存在相位差，相位差大小与节点间距和地震波速有关，非一致激励仿真工况包括不同地震波速。

本发明的积极进步效果在于：本发明对提高仿真效率及精度具有重大意义，目前对于防波堤的抗震模拟多采用二维有限元模型，这无法考虑地震行波效应的影响，也无法得到挡浪墙截面弯矩等关键指标，因此无法在工程中知道防波堤系统抗震设计。本发明简单、易行，可以缩短防波堤设计工期，减少时间与资金的投入，为防波堤系统及类似海防工程的抗震设计提供更准确和合理的科学指导。

附图说明

图1为本发明总体的流程示意图。

图2为本发明接触负载均衡的并行计算的流程示意图。

图3为本发防波堤系统关键断面示意图。

图4为本发明所用弹塑性材料本构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实例采用的完全非线性动力分析流程。计算步骤是先进行静力的力学计算，得到正确的初始地应力场，然后进行动力计算分析。在动力计算之前需要考虑网格尺寸、材料参数、动力学边界条件、阻尼类型以及地震波调整等问题。

如图2所示，本实例采用基于接触负载均衡的并行计算方法对防波堤系统进行抗震性能预测及评价。

本实例通过以下步骤实现仿真：

如图3所示，第一步，建立防波堤和海床地基的三维有限元模型。其中：防波堤有限元模型包括堆石模型，填土模型，土工织料模型，镇脚模型，空心块模型以及挡浪墙模型；海床地基模型为层状土模型。防波堤堆石、填土以及土工织料采用共节点连接方式，并与护面结构采用动态接触连接；防波堤堆石底部与海床地基表面采用固连接触连接；海床地基土层间均采用共节点连接；模型边界设置粘弹性人工边界条件。

所述的海床地基具有分层特性，分层模型按地质勘探报告建立，海床地基模型范围为：长2280m，宽1120m，高200m；所述的粘弹性人工边界条件指：在切取的边界上建立人工边界模拟连续介质的辐射阻尼，从而保证散射波在从内部区域穿过人工边界时不发生反射，根据整体模型规模及等效单元厚度设置边界单元材料属性，并对边界单元施加法向约束；所述的防波堤系统有限元模型的单元数约为275万。

第二步，通过向第一步得到的防波堤系统三维有限元模型中导入土体及防波堤结构的初始应力进行初始工况仿真，得到防波堤系统的初始应力状态，具体步骤为：

(2.1)对整体有限元模型加载重力，为避免加载过程中的冲击，重力按照一定斜率从零缓慢增大到最终值。设置适当的全局阻尼，并在外海侧防波堤及海床表面施加附加质量及静水压力，使应力在一定时间后达到平衡状态。

(2.2)将平衡状态下的土体应力场导出，作为初始地应力加载。同时仍对整体模型施加重力载荷进行地应力平衡。

(2.3)将第二步平衡状态下土体及堆石体应力场导出，作为初始应力加载。同时对整体模型加载重力直至平衡。

(2.4)将第三步平衡状态下整体模型所有单元的应力导出，作为后续地震分析的初始应力场。

所述的有限元模型材料本构为基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性本构，如图4所示。LS-DYNA中默认使用的DP1屈服准则在仿真时存在比较大的误差，因此在应用中要对屈服准则做出修正，使其与DP4准则等效。

所述的全局阻尼是指Rayleigh阻尼，其表达式为式(1)：

C＝αM+βK………………………………………………………………(1)

其中M为质量矩阵；K为刚度矩阵；根据振型正交条件，α＝ξω,β＝ξ/ω，其中ξ为结构的阻尼比，ω为结构的固有频率。

所述的静水压力指按照帕斯卡定理确定的海水压力，取值为P＝ρgh，ρ其中为海水密度，g为重力加速度，h为单元处的海水深度。

所述的附加质量指采用Westergaard公式计算得到的动水压力影响，其计算公式为式(2)：

$M_{Ei}=\frac{\mathrm{\α}}{90}\frac{7}{8}\mathrm{\ρ}\sqrt{H_0{y}_i}{A}_i\mathrm{...}\left(2\right)$

其中ρ为海水的密度；H₀为堤前水深；y_i为计算点处单元形心到水面的水深；α堤面与水平面的夹角；A_i为单元控制面积。

所述的平衡状态是指防波堤系统的整体最大竖直向初始位移小于10^-5。

第三步，向第二步中初始状态的防波堤系统三维有限元模型中添加外部仿真条件后，应用显式非线性有限元方法在超级计算机平台上进行求解，得到防波堤的地震响应，藉此评估防波堤的抗震性能。

所述的外部仿真条件是指：输入地震波激励，包括一致性地震激励和非一致性地震激励。

所述的地震激励是指：根据《核电站抗震设计规范》及《水运工程抗震设计规范》的相关规定确定的类似场地实际地震记录加速度时程曲线，地震时程曲线存在噪声信号，需要对其进行滤波及基线调整。

所述的一致性地震激励是指：在底部所有节点施加相同的地震时程激励。

所述的非一致性地震激励是指：底部节点在地震波传播方向上存在相位差τ_i，相位差大小与节点间距和地震波速有关。非一致激励仿真工况包括不同地震波速，分别为：500m/s、1000m/s和1500m/s。

通过本实例仿真可以得到防波堤系统在不同工况下的抗震性能。行波效应对防波堤挡浪墙震后沉降影响显著，在横波及纵波两种输入方式下，挡浪墙震后沉降随视波速的减小而减小。行波效应对防波堤系统地震残余变形模式几乎没有影响，横波地震动输入下引起的震后残余变形要大于纵波输入下的残余变形。多数情况下，行波激励下的挡浪墙弯矩会比相应的一致激励下的响应大。

第四步，利用第三步计算得到的防波堤系统最大沉降，可以判断该实例中防波堤系统满足《核电站抗震设计规范》中规定的抗震要求。

与现有技术相比，本发明可以通过仿真直接得到防波堤系统的震后沉降，无需进行额外计算，提高了计算效率；本发明可以对行波效应下的抗震性能进行模拟，更符合实际情况，提高了防波堤抗震模拟的计算精度。本方法简单、易行，可以缩短工期，减少时间与资金的投入，为防波堤系统及类似海防工程的抗震设计提供更准确和合理的科学指导。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，建立防波堤和海床地基的三维有限元模型，其中：防波堤有限元模型包括堆石模型，填土模型，土工织料模型，镇脚模型，空心块模型以及挡浪墙模型；海床地基模型为层状土模型；防波堤堆石、填土以及土工织料采用共节点连接方式，并与护面结构采用动态接触连接；防波堤堆石底部与海床地基表面采用固连接触连接；海床地基土层间均采用共节点连接；模型边界设置粘弹性人工边界条件；

步骤二，通过向步骤一得到的防波堤系统三维有限元模型中导入土体及防波堤结构的初始应力进行初始工况仿真，得到防波堤系统的初始应力状态；

步骤三，向步骤二中初始状态的防波堤系统三维有限元模型中添加外部仿真条件后，应用显式非线性有限元方法在超级计算机平台上进行求解，得到防波堤的地震响应；

步骤四，利用步骤三得到的防波堤系统动态地震响应对防波堤抗震性能做出评定；防波堤系统最大沉降小于设计允许值则认为防波堤系统抗震性能良好，否则对防波堤结构设计进行改进并重新模拟直至其满足抗震要求。

2.如权利要求1所述的核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，所述步骤二采用基于接触负载均衡的并行计算方法，具体包括以下步骤：

步骤二十一，对整体有限元模型加载重力，为避免加载过程中的冲击，重力按照一定斜率从零缓慢增大到最终值；设置适当的全局阻尼，并在外海侧防波堤及海床表面施加附加质量及静水压力，使应力在一定时间后达到平衡状态；

步骤二十二，将平衡状态下的土体应力场导出，作为初始地应力加载；同时仍对整体模型施加重力载荷进行地应力平衡；

步骤二十三，将步骤二十二的平衡状态下土体及堆石体应力场导出，作为初始应力加载；同时对整体模型加载重力直至平衡；

步骤二十四，将步骤二十三的平衡状态下整体模型所有单元的应力导出，作为后续地震分析的初始应力场。

3.如权利要求2所述的核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，所述防波堤有限元模型为按照几何结构建立的三维有限元模型；海床地基模型为防波堤周围海床表面至地下200m范围内的三维有限元模型；空心块模型为标准空心块的简化体。

4.如权利要求3所述的核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，所述三维有限元模型材料本构为基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性本构。

5.如权利要求2所述的核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，所述全局阻尼是指Rayleigh阻尼，其表达式为：

C=αM+βK

其中M为质量矩阵；K为刚度矩阵；根据振型正交条件，α=ξω,β=ξ/ω，其中ξ为结构的阻尼比，ω为结构的固有频率。

6.如权利要求2所述的核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，所述附加质量指采用Westergaard公式计算得到的动水压力影响，其计算公式为：

$M_{\mathrm{Ei}}=\frac{\mathrm{\α}}{90}\frac{7}{8}\mathrm{\ρ}\sqrt{H_0{y}_i}{A}_i$

其中ρ为海水的密度；H₀为堤前水深；y_i为计算点处单元形心到水面的水深；α堤面与水平面的夹角；A_i为单元控制面积。

7.如权利要求1所述的核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，所述外部仿真条件是指输入地震波激励，包括一致性地震激励和非一致性地震激励。

8.如权利要求7所述的核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，所述一致性地震激励是指在底部所有节点施加相同的地震时程激励。

9.如权利要求7所述的核电站防波堤抗强震性能预测与评价方法，其特征在于，所述非一致性地震激励是指：底部节点在地震波传播方向上存在相位差，相位差大小与节点间距和地震波速有关，非一致激励仿真工况包括不同地震波速。