非能动压水堆核电站厂房杆系模型研究

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇非能动压水堆核电站厂房杆系模型研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：本文以某非能动核电站辅助屏蔽厂房三维有限元模型为基础推导出相应的刚度参数并以此建立辅助厂房以及屏蔽厂房的杆系有限元模型，可为后续开展核岛土-结构相互作用分析以及混凝土开裂非线性辅助分析提供模型基础。

关键词：辅助屏蔽厂房，杆模型，非能动压水堆

1 引言

在早期核电厂抗震分析中，受限于计算机的运算能力，轻量化、运算快的杆模型被广泛使用。随着计算机科学的发展，目前的核电厂房抗震设计主要采用壳单元和实体单元组成的三维有限元模型。但在初步设计中的结构关键尺寸确定，混凝土开裂非线性研究以及土-结构相互作用分析等方面，杆模型仍具备较大的使用价值。

本文基于三维有限元模型计算得到的单元参数对某非能动压水堆核电站的辅助屏蔽厂房（下称ASB厂房）进行了杆模型有限元模拟，通过调节屏蔽厂房与辅助厂房刚度参与比重的方法对杆模型刚度进行调整，从而得到与三维有限元模型动力特性相接近的杆模型，该模型可用于土-结构相互作用及混凝土开裂非线性等后续分析工作。

2 某非能动压水堆核电站辅助屏蔽厂房杆模型建模流程

2.1 杆模型的分层

杆模型的建模流程主要包括结构分层，参数求解和模型组装三个步骤。杆模型针对结构分层的主要依据为：

1，结构的刚度；

2，质量突变点；

3，对于规则结构，楼层也可视作分层的依据。

基于某非能动压水堆核电站核岛厂房三维有限元模型，其辅助屏蔽厂房根据结构的布置情况可分为三大部分共19个质量层或区域，如图1所示。其中第一部分为辅助厂房除屋顶以外的部分，共分为8个质量层。

第二部分为辅助厂房屋顶部分，原因在于厂房北，东，南三个区域的屋顶标高各不相同。

第三部分为屏蔽厂房部分，共分为8层，其中筒体结构为1～5层，进气口结构及锥形屋顶下半部分为第6层，屋顶水箱下半部分及锥形屋顶上半部分为第7层，水箱上半部分为第8层。

图1 杆模型质量分层示意图（基于核岛结构南北向剖面）

根据质量分层的标高继续将三维有限元模型划分为9个剪切层，每一层采用一个带刚度的梁单元进行模拟，每个梁单元所代表的结构如下所示：

地面以下标高ASB厂房结构为一个梁单元；

地面以上至屋顶标高以下部分的ASB厂房结构为一个梁单元；

厂房的北屋顶，东屋顶以及南屋顶分别划分为梁单元；

均质筒体结构为一个梁单元

上部的进气口结构、屋顶以及水箱结构均按照质量层的划分标高各划分为一个梁单元。

2.2 质量单元和杆单元的参数求解

2.2.1 质量单元参数求解

质量单元参数主要包括质心坐标，单元平动质量以及单元转动质量。经过人工分层后，对该层的节点施加约束后采用ANSYS软件中惯性释放计算命令获得该层节点的相关单元参数。

2.2.2 杆单元参数的求解

辅助屏蔽厂房杆模型中杆单元主要分为Beam4单元和Link8单元两类，其中Beam4单元主要用于反映剪切层的水平刚度特性，所需的参数除该层剪心坐标外还包括截面的惯性矩和水平向截面积。Link8单元主要用于反映上下剪切层的竖向刚度特性，所需的参数除刚心坐标外还包括截面的竖向截面积。

以各质心标高作为剪切层的分层依据，通过约束层下部节点并对上部节点施加水平单位位移的方法求得反力的合力点作为该剪切层的剪心。约束剪切层的下部节点并对上部节点施加竖向单位位移求得的反力合力点作为该剪切层的轴向刚心。约束剪切层的下部节点，将剪心与层上部节点刚性连接并施加单位荷载（包含单位力和单位弯矩），根据表1中的公式计算得到用以连接剪心的梁单元的单元刚度参数。

表1由三维模型创建杆模型的单元刚度计算公式表

注：

1、 弯矩M和水平力F包括X、Y两个方向，分别进行施加计算。

2、 弯剪单元长度L一般取该层上下节点的标高差，但当该层很不规律（如包含倾斜的墙体）时，可通过 来计算， 。

3、 如果剪心坐标与刚心坐标相差较大，则需要重新在轴向刚度中心施加单位竖向力来计算杆模型面积。

2.3 杆模型的组装

将计算所得质量单元（Mass 21）及相应参数施加在对应的质心节点，上下剪切中心节点采用梁单元（Beam 4）连接，上下轴向刚度中心采用桁架单元（Link 8）连接，如果同一层不同节点重合，则采用刚性杆将质心与其他节点连接。组装后的杆模型如图3，4所示。

图3 ASB厂房杆模型（由东往西看）

图4 ASB厂房杆模型（由北往南看）

3杆模型模态分析及调整

为了便于了解辅助厂房和屏蔽厂房对于整个ASB厂房动力特性的贡献比例，

在计算剪切刚度时，针对于屋顶标高以下的两个剪切层，分别采用两种模型计算：

模型一：将剪心与上部节点（包含辅助厂房节点和屏蔽厂房节点）刚性连接，并施加单位荷载求相关刚度参数，对组装后的杆模型施加底部约束并进行模态分析。模型一模态分析结果与三维有限元的结果对比如表2所示：

表2 模态分析结果比较（模型一，基于整体坐标，单位：Hz）

经对比，杆模型计算得到的频率相对三维模型较高，可知模型一计算梁单元参数时的假设相对于三维模型剪切刚度过大，需进一步调整。

模型二：假设屏蔽厂房对整体模型的动力特性起主要作用，只将剪心与对应层标高的屏蔽厂房节点刚性连接并施加单位荷载求相关刚度参数。

模型二模态分析结果与三维有限元的结果对比如表3所示。

表3 模态分析结果比较（模型二，基于整体坐标，单位：Hz）

综合模型一和模型二的计算结果，通过对三个方向上两模型的刚度比例反复试算调整（对于X方向，调整Az，Iz；对于Y方向，调整Ay，Iy；对于Z方向仅调整Ax），可得到动力特性与三维有限元模型较吻合的杆模型（模型三）。

模型三模态分析结果与三维有限元的结果对比如表4所示。

表4 杆模型和三维有限元模型模态分析结果比较（基于整体坐标，单位：Hz）

调整后的杆模型振动频率结果与三维有限元模型基本一致，说明调整后的杆模型可基本反映ASB厂房结构的动力特性。

4 结论

本文基于某非能动压水堆核电站核岛三维有限元模型计算得到其辅助屏蔽厂房各层的质量和刚度参数，将这些参数赋予相应的质量单元和杆系单元以组装形成辅助屏蔽厂房杆模型。通过调整屏蔽厂房与辅助厂房对整个模型刚度的贡献比例可以得到与三维有限元模态分析结果相吻合的杆模型，该模型能基本反映ASB厂房的动力特性，可用于核岛土-结构相互作用分析以及混凝土开裂非线性分析等后续工作。

参考文献

1. Leonardo Tunon-Sanjur， Richard S. Orr， Finite element modeling of the AP1000 nuclear island for seismic analyses at generic soil and rock sites [J] ，Nuclear Engineering and Design， Vol. 237， 2007

2. On the Seismic Design of Liquid Storages，Bulletin of ISME， VoL.19，N.138，Dec 1976

3. ASCE 4-09，Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures and Commentary，2010