取水口結(jié)構(gòu)的接觸有限元分析

王芳 劉敏

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

1 概述

核電廠機(jī)組一般采用以海水為冷卻水的直流供水系統(tǒng)，冷卻水及安全用水通過(guò)取水工程進(jìn)入泵房。根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，取水口結(jié)構(gòu)為核安全Ⅰ類物項(xiàng)，應(yīng)同時(shí)采用運(yùn)行安全地震震動(dòng)和極限安全地震震動(dòng)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

某核電廠取水口結(jié)構(gòu)位于取水工程端頭，一頭與輸水隧道相連，一頭伸入海里。該位置原貌為海岸邊基巖，取水口施工前需先將整個(gè)取水頭部范圍內(nèi)的基巖全部清除，然后安放管道和喇叭口，就位后用混凝土回填，直至恢復(fù)海岸線原來(lái)面貌。它由取水隧洞延伸段(SEC接口)和進(jìn)水口(喇叭口和海工混凝土)組成。

SEC和CRF用水鋼管分開(kāi)設(shè)置，一端與鋼筋混凝土輸水隧道相連，一端與取水頭部鋼制進(jìn)水喇叭口相連。SEC用水鋼管管內(nèi)徑1.2 m，鋼管壁厚10 mm;CRF用水鋼管管內(nèi)徑4.2 m，壁厚20 mm。鋼管材料均采用耐海水腐蝕低合金鋼(10CrMoAL)。SEC和CRF用水鋼管和喇叭口用素混凝土回填(頂部有配筋)，直至恢復(fù)海岸線原來(lái)的面貌。

當(dāng)取水口結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行時(shí)，鋼管承擔(dān)內(nèi)水壓力。混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管之間的接觸作用對(duì)結(jié)構(gòu)受荷之后的接觸狀態(tài)和應(yīng)力分布有直接的影響。本文采用有限元計(jì)算軟件ANSYS建立三維接觸單元模型，進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)譜分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)值依據(jù)。

2 接觸單元

接觸問(wèn)題是一種高度非線性行為，有兩種基本類型:剛體—柔體的接觸，柔體—柔體的接觸。ANSYS軟件支持三種接觸方式:點(diǎn)—點(diǎn)、點(diǎn)—面和面—面的接觸。本文對(duì)鋼管和外圍混凝土之間的接觸問(wèn)題采用面—面接觸方式。接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元。用“目標(biāo)面”和“接觸面”形成“接觸對(duì)”，程序通過(guò)相同的實(shí)常數(shù)號(hào)來(lái)識(shí)別接觸對(duì)。目標(biāo)面分別用Targe169和Targe170來(lái)模擬，接觸面分別用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174 來(lái)模擬。

所有的接觸問(wèn)題都需要定義接觸剛度，兩個(gè)表面之間的穿透量的大小取決于接觸剛度，過(guò)大的接觸剛度可能會(huì)引起收斂困難，應(yīng)該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸穿透小到可以接受，但同時(shí)又應(yīng)該讓接觸剛度足夠小以不會(huì)引起總剛矩陣的病態(tài)問(wèn)題而保證收斂性。

接觸單元設(shè)置的步驟為:1)定義面—面接觸使用的單元類型;2)指定剛性目標(biāo)面并檢查目標(biāo)面的方向;3)定義柔性接觸面并檢查接觸的方向是否指向目標(biāo)面;4)設(shè)定關(guān)鍵字和實(shí)常數(shù)，選擇接觸算法和摩擦類型;5)加載求解。

3 三維有限元建模

3.1 模型建立

本文以SEC和CRF鋼管及外包的鋼筋混凝土為研究對(duì)象建立有限元計(jì)算模型。有限元模型圖見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 有限元模型圖（鋼結(jié)構(gòu)部分被混凝土包裹）

圖2 有限元模型圖（鋼結(jié)構(gòu)部分）

SEC和CRF鋼管以及喇叭口用殼單元Shell63模擬，彈性模量2.13×1011N/m2，泊松比 0.3，回填 C30 素混凝土用實(shí)體單元Solid45模擬。彈性模量3×1010N/m2，泊松比0.2。結(jié)構(gòu)的側(cè)面和底部與巖體相互作用用彈簧單元Combin14模擬，結(jié)構(gòu)的上表面為混凝土恢復(fù)的山體表面。三維有限元模型中有958個(gè)Shell單元，30 781個(gè)Solid45單元，3 507個(gè)Combin14單元。節(jié)點(diǎn)數(shù)共96 421個(gè)。

模型中使用接觸單元Conta173和目標(biāo)單元Targe170定義3-D接觸對(duì)。鋼管和混凝土之間沒(méi)有考慮摩擦，即假定為完全光滑狀態(tài)，其切向剛度為零，其法向剛度也為無(wú)窮大，實(shí)際情況應(yīng)為介于共節(jié)點(diǎn)模型和考慮接觸模型之間的狀態(tài)。

3.2 荷載

本取水口側(cè)向按原來(lái)的山體形狀修復(fù)，無(wú)外露段，所以波浪力不起作用。計(jì)算中考慮的荷載有:1)結(jié)構(gòu)自重;2)隨海水潮位變化而變化的上部水壓力;3)內(nèi)部水壓力，包括CRF鋼管和喇叭口、SEC鋼管分別受到的最大工作壓力和最小工作壓力;4)地震作用，包括運(yùn)行安全地震動(dòng)產(chǎn)生的地震作用SL-1(結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05)和極限安全地震動(dòng)產(chǎn)生的地震作用SL-2(結(jié)構(gòu)阻尼比取0.07)。

地震作用是作為荷載輸入的，對(duì)于地震作用的計(jì)算，分析中沒(méi)有采用時(shí)程分析直接動(dòng)力法，而是采用了較為便捷的振型分解反應(yīng)譜分析方法。對(duì)極限安全地震震動(dòng)SL-2:

以0.15g標(biāo)定的RG1.60水平加速度反應(yīng)譜作為廠址水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜，如表1所示;以0.10g標(biāo)定的RG1.60水平加速度反應(yīng)譜作為廠址豎直向設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜，如表2所示。取SL-2設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜的1/2作為SL-1設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜。

表1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜(水平分量)

表2 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜(豎直分量)

4 ANSYS反應(yīng)譜分析

4.1 模態(tài)分析

結(jié)構(gòu)模態(tài)解對(duì)于譜分析是必須的。模態(tài)分析采用Block Lanczos法提取模態(tài)，計(jì)算固有頻率。從表3可以看出第一階振型的主振方向?yàn)閅方向，即結(jié)構(gòu)的高度方向。結(jié)構(gòu)的剛度是比較大的，其基頻達(dá) 36.17 Hz，相應(yīng)的周期為 0.027 6 s。

表3 結(jié)構(gòu)各階模態(tài)頻率和參與系數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)該模型用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算，物項(xiàng)的最大反應(yīng)值采用完全二次型組合(CQC)進(jìn)行組合。地震震動(dòng)的三個(gè)分量引起的反應(yīng)值取每個(gè)分量在物項(xiàng)同一方向引起震動(dòng)的最大反應(yīng)值，按平方和的平方根法進(jìn)行組合。地震作用效應(yīng)再與結(jié)構(gòu)各種使用荷載進(jìn)行工況組合，經(jīng)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)模型的最終分析結(jié)果。

1)位移結(jié)果。

圖3 整體軸向動(dòng)位移云圖（單位：mm，SL-1，高水位）

表4 靜動(dòng)疊加應(yīng)力最值 MPa

表5 位移最大值 mm

圖3為SL-1情況下高潮位的結(jié)構(gòu)動(dòng)位移云圖，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，從圖3和表5中可以看出，SL-1高潮位工況下位移最大，沿軸向動(dòng)位移最大值0.11 mm，充分滿足后側(cè)輸水隧道結(jié)構(gòu)之間的伸縮縫50 mm的要求。

2)應(yīng)力結(jié)果。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)部分最大主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖5 鋼結(jié)構(gòu)部分軸向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖6 混凝土部分最大主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖7 混凝土部分軸向主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

從表4中可以看出，SL-1地震作用為控制工況。混凝土部分靜、動(dòng)疊加最大壓應(yīng)力為0.15 MPa，最大拉應(yīng)力為0.37 MPa;靜、動(dòng)疊加軸向最大拉應(yīng)力為0.13 MPa。均小于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度2.01 MPa。鋼結(jié)構(gòu)部分靜、動(dòng)疊加最大壓應(yīng)力為0.22 MPa，最大拉應(yīng)力為2.74 MPa，靜、動(dòng)疊加軸向最大拉應(yīng)力為1.59 MPa，應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4～圖7。

5 結(jié)語(yǔ)

本文用大型通用有限元軟件ANSYS建立接觸單元模型，用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震分析，考慮各種工況組合，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到了該結(jié)構(gòu)的自振特性、變形和內(nèi)力等計(jì)算結(jié)果，為取水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的數(shù)據(jù)。混凝土部分和鋼結(jié)構(gòu)部分的應(yīng)力均沒(méi)有超過(guò)應(yīng)力限值，并有一定的安全裕度，確保了建筑物在地震作用下保持結(jié)構(gòu)的完整性。

［1］GB 50267-97，核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］何本國(guó).ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.

［3］申 艷，伍鶴皋，蔣逵超.大型水電站墊層蝸殼結(jié)構(gòu)接觸分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2006(10):32.

［4］薛志成，王振清.核電站取水口建筑物的抗震性能分析［J］.工業(yè)建筑，2012，42(8):46.