復雜地基條件下核電廠取水構筑物-樁-土結構動力相互作用分析

2021-03-27 06:24:46邱義波尹訓強王桂萱

結構工程師 2021年1期

邱義波尹訓強王桂萱

（大連大學土木工程技術研究與開發中心，大連116622）

0 引言

核電作為一種安全、經濟高效的新型能源，對國家優化電力布局、發展可持續經濟具有重大意義［1］。隨著我國大力發展核電事業，軟土地基的問題很難規避。目前，軟土復雜地基上建設核電站已成為核電發展的必然趨勢［2-3］。然而，軟土在強震作用下易破壞，非線性效應明顯，因此，復雜地基條件下的取水構筑物-樁-土動力相互分析就成為當前核電廠房抗震安全性評價的重要內容。

國內外很多學者對樁-土-結構動力的相互作用進行了大量研究工作。劉立平［4］等采用動力有限元時程分析方法，上部結構為高層框架，兩側邊界為自由邊界，底部采用固定邊界，以此來研究樁-土-結構在水平地震作用下上部結構的彈塑性動力特性，但在描述無限地基時輻射阻尼效應存在限制；王滿生等［5］在Goodman 接觸單元加入阻尼效應，并采用黏彈性人工邊界模擬土體邊界，以此來解決樁-土動力相互作用中的部分能量耗散問題，但卻忽略土體的非線性影響；范立礎［6］采用m 法計算等代土彈簧對樁周土約束作用的模擬，將樁土相互作用與其底端固結作比較，但忽略樁、土以及上部結構的一體性，并且忽略了樁-土-結構動力相互作用的影響。Shahrour和Juran 等［7］多次進行了多種樁組合的離心模型試驗，樁的輕微斜度增強了群樁的整體剛度，卻降低了地表交界處樁身的彎矩，同樣也增加了承臺交界處樁的彎矩。

本文以600 MW 示范快堆工程項目為背景，基于ANSYS 軟件建立了軟土地基條件下的樁-土-取水結構動力相互作用模型。利用ANSYS 二次開發的特點嵌入了黏彈性人工邊界，并結合Newmark［8］隱式數值積分法探究結構在地震效應激勵下的安全性。經計算該結構在靜動力聯合情況下的地震響應，分析樁基礎的內力、構筑物的主應力和構件內力分布規律，對比分析了不同樁基條件在相同地質條件的變形、應力及部分構件內力，并基于軟件GeoStudio 綜合評價了地基的安全穩定。

1 工程概況

本文以600MW 示范快堆工程為背景依托，取水構筑物包括上部取水結構、樁筏基礎與取水涵道，其兩側為開山石，其中的閘門井結構尺寸為18.8 m×52.8 m×29.3 m（長×寬×高），所采用的混凝土強度等級為C40，取水管道上部為回填塊石，與之比鄰的八字口胸墻分布在取水頭部進水口的兩側，其平面布置如圖1虛線區域所示。

圖1 取水頭部結構平面布置圖Fig.1 Water intake structure plan

取水頭部的安全穩定是核電廠正常運行的重要保證。混凝土的參數值參照混凝土結構設計規范選取，核電廠址地質條件復雜，非均勻性較為突出，廠址上部為第四系，主要為人工填土層及全新統沖海積層，包括回填塊石、粉質黏土、碎石，存在明顯軟土，其覆蓋范圍較大；覆蓋層下部為燕山晚期第五次侵入體，主要為長石斑巖。風化巖層整體呈傾斜狀明顯，地質情況特殊，表1 為取水結構及土體的材料參數。地基軟土覆蓋區域明顯，其工程性質差，承載力低，受力后發生沉降與側滑，且工程難度大，沉降與變形難以控制，依據工程要求，結構采用樁筏基礎處理，其地質斷面如圖2所示。

表1 取水頭部結構和土體的材料參數Table 1 Material parameters of soil and structure

圖2 工程地質剖面圖Fig.2 Engineering geological section

2 取水構筑物-樁-土相互作用計算模型

2.1 三維有限元模型

圖3 為ANSYS 軟件所建立的取水構筑物-樁-土動力相互作用系統分析模型，其中，引入黏彈性邊界處理模型邊界，取水結構采用實體單元、質量單元、梁單元相結合的模式，實體單元模擬結構主體與地基，梁單元來模擬樁，質量單元模擬動水效應。樁-土之間的接觸效應采用CONTA 接觸單元模擬，對結構采用靜動力聯合的方法分析結構在作用效應下的結果。地基模擬范圍為從結構兩側向兩側各延伸50 m，從底板向下延伸50 m，沿取水頭部軸向方向各延伸60 m。

圖3 整體抗震分析模型Fig.3 Integrated seismic analysis model

圖4為取水頭部與樁基結構的有限元計算模型，圖5 為地質剖面有限元模型，其細化剖分取水結構整體與非均質部分可顯示取水結構的空間分布形態，地基部分分布較為復雜，地基中部存在明顯軟弱層，粉色實體單元為回填塊石，深藍色實體單元為碎石，淺藍色及其下部粉色實體單元分別為粉砂和粉質黏土，最下層藍色實體單元為長石斑巖。風化巖層整體呈傾斜狀明顯，地質情況特殊。

圖4 取水頭部結構抗震分析模型Fig.4 Seismic analysis model of water intake structure

圖5 地基典型地質剖面的有限元模型Fig.5 Model of typical geological section of foundation

2.2 黏彈性人工邊界場地模型

地震作用下，黏彈性邊界可反映無限地基的輻射阻尼效應。黏彈性邊界是Deeks 在黏性邊界Lysmer 和Seed［9］的基礎上提出并發展起來的，它可同時模擬半無限地基的散射波輻射和彈性恢復能力，且計算精度高，克服黏性邊界的低頻漂移問題，穩定性好。該邊界單元條件采用彈簧-阻尼單元來表示，如圖6所示。

圖6 黏彈性人工邊界數值模型示意圖Fig.6 Diagram of viscoelastic artificial boundary model

對于三維黏彈性人工邊界模型，作用在邊界節點上的法向和切向阻尼器系數和彈簧剛度系數則按式（1）和式（2）［10］計算。

式中：ΔAi為地基區域外邊界節點i 的控制面積；ri為地基區域外邊界節點i 到次生散射場振源的距離；ρ、G 皆為節點i 處地基材料的密度；Vs為i 處地基材料的剪切波速；Vp為i處地基材料縱波波速。

2.3 動水壓力模型

地震作用下動水壓力是取水建筑物抗震設計的重要動力荷載，其對取水頭部結構的動力反應影響較大。本文采用等效線性法［12］模擬土體特性，用Housner［13］模型模擬動水壓力。

對于作用在取水建筑物內外的地震動水壓力，通過節點附加動水質量與相應的加速度來考慮。對于取水建筑物外迎水面，墻體的墻前水域可視為無限遠時，按Westergaard 公式［12］計算順流向地震動水壓力，計算公式如式（3）所示。

式中：pw（h）為在地震作用下直立迎水墻面水深h處的動水壓力值；ρw為水體密度；H0為水的深度；ah水平方向設計地震加速度值。

2.4 地震波時程曲線

根據委托單位提供的600 MW 示范快堆工程場地地震安評資料，地震效應采用RG1.60對取水構筑物進行校核，廠址基巖在地震效應作用下，水平峰值加速度設計值取0.075 g，豎向峰值加速度取0.075 g。地震持續30 s，時間步長0.01 s，X、Y及Z方向加速度時程如圖7所示。

圖7 地震波時程曲線Fig.7 Seismic time history curve

3 地震響應分析

本文主要的模擬構筑物在動水壓力和與地震效應共同作用下，以項目原本模型（工況一）為基礎，在相同的荷載作用條件下，探究無樁（工況二）與加長樁（工況三）條件下，加長樁即在原本樁長全部加長3 m，以動靜力結合的方法計算上部結構的內力、位移，樁的剪力及結構的抗傾抗滑穩定性，以此作為結構的安全性及適用性的條件。

3.1 樁內力計算

為方便分析，定義樁編號如圖2所示，給出取水頭部下的10排樁內力圖，其內力分布如圖8所示。

圖8 取水頭部樁內力圖Fig.8 Internal force diagram of a pile withl water intake head

表2 則給出了10 排樁內最大的軸力Fy、剪力Fx、彎矩Mx。

由《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）［14］給出單樁極限承載力約為59.39 MN，由圖8 可以看出，軸力最大發生處在①排樁最頂端，數值為47.57 MN，這主要是取水構筑物在頭部位置的自重較大，導致前排樁的軸力較大；剪力最大發生處在⑨排樁樁頂，數值為4.35 MN，從各排樁的剪力分布來看，較大值在剛度變化較大處，變化較為明顯，比如第1、7、9排樁，而在第9排樁處，從土層分布來看，在長石斑巖與混凝土之間僅有很少部分的軟弱夾層，導致在較小的范圍內，樁周圍的剛度變化較顯著，從而在第9/10 排樁的建立顯著增大；彎矩最大發生處在⑦排樁最上端，其值為10.21 MN·m，此處也是不同土層剛度突變之處。綜上可知，夾雜土層及結構的剛度變化，對樁的內力影響較大，在薄弱位置應配筋加固，防止發生破壞。

表2 取水頭部下樁內力值Table 2 Internal force of pile under water intake head

3.2 取水結構極限應力分析及不同樁基條件下取水結構變形、應力及結構內力分析

如圖9 所示為取水結構的主拉應力與主壓應力分布。從結構的應力來看，最大處集中在樁與筏板的接觸面上，主拉應力最大為4.77 N/mm2，數值大于《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）［15］給出的混凝土抗拉設計值1.71 N/mm2，取水暗涵與取水頭部接觸處應力最大，邊角應力集中，這些部位為結構的薄弱環節，需要進行配筋加強，而結構的其他部位的主拉應力分布范圍，主要分布在1.5 MPa左右，未超過抗拉強度設計值；第三主應力為19.0 N/mm2，主要集中在樁與筏板的接觸上，其小于混凝土極限抗壓設計值。考慮到結構今后會配筋加強，在其應力集中薄弱處應著重注意，使其拉應力、壓應力滿足極限要求。

圖9 取水頭部結構應力圖Fig.9 Main stress diagram of water intake structure

針對此結構合理性與安全性，本文校核了正常樁（工況一）、無樁（工況二）與長樁（工況三）條件下的結構內力與位移。表3 給出取水頭部在不同工況下的計算結果。圖10 為取水頭部在各個方向的變位圖，其在X、Y、Z 方向的最大變位分別為11.5 mm、17.5 mm、16.6 mm，三個方向均未超過20 mm，結構滿足規范要求。

表3 取水頭部分析結果Table 3 Analysis results of water intake structure

加長樁結構的位移于正常樁結構位移大小變化不大，且位移分布趨勢基本相同，第三主應力相應的略有減小，第一主應力為4.69 N/mm2，第三主應力為18.2 N/mm2，第一主應力仍超過規范允許的設計值。對于無樁工況，第一主應力為12.1 N/mm2，第三主應力為15.7 N/mm2，應力較前者明顯變大，且應力分布趨勢過于集中，明顯集中于結構與地基的接觸面上。變形數值略微改變，水平方向X的變形極值為11.5 mm，豎直方向Y的變形極值為17.5 mm，水平方向Z 的變形極值為16.6 mm。為節省篇幅，下文僅給出無樁工況的變形圖，如圖11所示。

結構墻體里在外側、內側、頂部、底部選取典型截面內力，圖12 給出取水結構各構件編號分布，本文考慮重力荷載、凈水荷載及地震荷載的組合效應。計算得出，各構件軸力最大發生處為長樁條件下的wall-13 構件，其值為12 740 kN；剪力最大發生處為無樁條件下的wall-4 構件，其值為2 954 kN，圖13 給出取水頭部部分結構內力分布大小與趨勢，從圖wall-13 可以看出上部剪力效應，樁基可改善剪力效應，嵌巖深度大而效果明顯，依據內力的大小及分布情況，內力大處配筋加強。