取水口結構的接觸有限元分析

王芳 劉敏

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

1 概述

核電廠機組一般采用以海水為冷卻水的直流供水系統，冷卻水及安全用水通過取水工程進入泵房。根據《核電廠抗震設計規范》，取水口結構為核安全Ⅰ類物項，應同時采用運行安全地震震動和極限安全地震震動進行抗震設計。

某核電廠取水口結構位于取水工程端頭，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取水頭部范圍內的基巖全部清除，然后安放管道和喇叭口，就位后用混凝土回填，直至恢復海岸線原來面貌。它由取水隧洞延伸段(SEC接口)和進水口(喇叭口和海工混凝土)組成。

SEC和CRF用水鋼管分開設置，一端與鋼筋混凝土輸水隧道相連，一端與取水頭部鋼制進水喇叭口相連。SEC用水鋼管管內徑1.2 m，鋼管壁厚10 mm;CRF用水鋼管管內徑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)，直至恢復海岸線原來的面貌。

當取水口結構正常運行時，鋼管承擔內水壓力。混凝土結構和鋼管之間的接觸作用對結構受荷之后的接觸狀態和應力分布有直接的影響。本文采用有限元計算軟件ANSYS建立三維接觸單元模型，進行動力反應譜分析，為結構設計提供了可靠的數值依據。

2 接觸單元

接觸問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—點、點—面和面—面的接觸。本文對鋼管和外圍混凝土之間的接觸問題采用面—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“目標面”和“接觸面”形成“接觸對”，程序通過相同的實常數號來識別接觸對。目標面分別用Targe169和Targe170來模擬，接觸面分別用Conta171，Conta172，Conta173，Conta174 來模擬。

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

接觸單元設置的步驟為:1)定義面—面接觸使用的單元類型;2)指定剛性目標面并檢查目標面的方向;3)定義柔性接觸面并檢查接觸的方向是否指向目標面;4)設定關鍵字和實常數，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象建立有限元計算模型。有限元模型圖見圖1和圖2。

圖1 有限元模型圖（鋼結構部分被混凝土包裹）

圖2 有限元模型圖（鋼結構部分）

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 素混凝土用實體單元Solid45模擬。彈性模量3×1010N/m2，泊松比0.2。結構的側面和底部與巖體相互作用用彈簧單元Combin14模擬，結構的上表面為混凝土恢復的山體表面。三維有限元模型中有958個Shell單元，30 781個Solid45單元，3 507個Combin14單元。節點數共96 421個。

模型中使用接觸單元Conta173和目標單元Targe170定義3-D接觸對。鋼管和混凝土之間沒有考慮摩擦，即假定為完全光滑狀態，其切向剛度為零，其法向剛度也為無窮大，實際情況應為介于共節點模型和考慮接觸模型之間的狀態。

3.2 荷載

本取水口側向按原來的山體形狀修復，無外露段，所以波浪力不起作用。計算中考慮的荷載有:1)結構自重;2)隨海水潮位變化而變化的上部水壓力;3)內部水壓力，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，包括運行安全地震動產生的地震作用SL-1(結構阻尼比取0.05)和極限安全地震動產生的地震作用SL-2(結構阻尼比取0.07)。

地震作用是作為荷載輸入的，對于地震作用的計算，分析中沒有采用時程分析直接動力法，而是采用了較為便捷的振型分解反應譜分析方法。對極限安全地震震動SL-2:

以0.15g標定的RG1.60水平加速度反應譜作為廠址水平向設計地震動反應譜，如表1所示;以0.10g標定的RG1.60水平加速度反應譜作為廠址豎直向設計地震動反應譜，如表2所示。取SL-2設計地震動反應譜的1/2作為SL-1設計地震動反應譜。

表1 標準設計反應譜(水平分量)

表2 標準設計反應譜(豎直分量)

4 ANSYS反應譜分析

4.1 模態分析

結構模態解對于譜分析是必須的。模態分析采用Block Lanczos法提取模態，計算固有頻率。從表3可以看出第一階振型的主振方向為Y方向，即結構的高度方向。結構的剛度是比較大的，其基頻達 36.17 Hz，相應的周期為 0.027 6 s。

表3 結構各階模態頻率和參與系數

4.2 計算結果

對該模型用反應譜法進行抗震計算，物項的最大反應值采用完全二次型組合(CQC)進行組合。地震震動的三個分量引起的反應值取每個分量在物項同一方向引起震動的最大反應值，按平方和的平方根法進行組合。地震作用效應再與結構各種使用荷載進行工況組合，經計算得到結構模型的最終分析結果。

1)位移結果。

圖3 整體軸向動位移云圖（單位：mm，SL-1，高水位）

表4 靜動疊加應力最值 MPa

表5 位移最大值 mm

圖3為SL-1情況下高潮位的結構動位移云圖，詳細計算結果見表4，從圖3和表5中可以看出，SL-1高潮位工況下位移最大，沿軸向動位移最大值0.11 mm，充分滿足后側輸水隧道結構之間的伸縮縫50 mm的要求。

2)應力結果。

圖4 鋼結構部分最大主應力云圖（單位：Pa）

圖5 鋼結構部分軸向應力云圖（單位：Pa）

圖6 混凝土部分最大主應力云圖（單位：Pa）

圖7 混凝土部分軸向主應力云圖（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、動疊加最大壓應力為0.15 MPa，最大拉應力為0.37 MPa;靜、動疊加軸向最大拉應力為0.13 MPa。均小于C30混凝土的抗拉強度2.01 MPa。鋼結構部分靜、動疊加最大壓應力為0.22 MPa，最大拉應力為2.74 MPa，靜、動疊加軸向最大拉應力為1.59 MPa，應力云圖見圖4～圖7。

5 結語

本文用大型通用有限元軟件ANSYS建立接觸單元模型，用反應譜法進行地震分析，考慮各種工況組合，對整體結構進行計算，得到了該結構的自振特性、變形和內力等計算結果，為取水口結構設計提供了可靠的數據。混凝土部分和鋼結構部分的應力均沒有超過應力限值，并有一定的安全裕度，確保了建筑物在地震作用下保持結構的完整性。

［1］GB 50267-97，核電廠抗震設計規范［S］.

［2］何本國.ANSYS土木工程應用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［3］申 艷，伍鶴皋，蔣逵超.大型水電站墊層蝸殼結構接觸分析［J］.水力發電學報，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］.工業建筑，2012，42(8):46.