文摘

大型冷却塔的崩溃引起的地面振动在核电站(npp)最近意识到作为一个潜在的二次灾难与振动要求缓解相邻核相关设施。前面的概念设计冷却塔和核相关设施操作在安全壳隔离组件在一个有限的npp是不合适的网站在中国是内陆核电站的情况下。本文提出一种数值研究缓解地面振动的“冷却tower-soil-containment”系统通过两种材料的创新应用作为垫子下面冷却塔,也就是说,泡沫混凝土和“管组装。“全面”冷却tower-cushion-soil”模型建立合理的缓冲材料模型。计算例进行演示使用七地震波振动的影响减轻。结果发现collapse-induced地面振动点的距离300米平均减少了91%,79%,和92%的径向、切向、和垂直方向泡沫混凝土时使用,同时振动减少53%,32%,和59%的“管组装”时,分别。因此,显著降低振动实现了在这两种情况下提高韧性的“冷却tower-soil-containment”系统对二次灾难。

1。介绍

核电站的数量(npp)将建在中国内陆地区在未来几年来满足迅速增长的能源需求(1]。因此,冷却塔是计划建设内陆npp不可或缺的排热设备。大多数的冷却塔是大规模和相邻核岛由于经济效益和网站的局限性。他们的高度通常被设计为超过200,典型的间隔相邻核群岛约300米(2]。目前,全世界最高的冷却塔高200米,位于Niederaussem,德国(3]。为了安全起见,它是合理的意识到这些巨大的塔可能崩溃在偶然的负载的情况下,例如,地震或强风远远超出了设计水平(4]。塔的崩溃可以诱发次生灾害,例如,密集的地面振动具有大量的不确定的位置振动来源分布在大面积的地面。典型使用强风化砂质板岩作为地基土的最大地面振动加速度振幅在径向距离350米可以高达0.29 g (4]。这将有害地影响附近的核设施的安全运行,核事故的关键影响,如图1。然而,这些风险不包括在当前设计概念的npp冷却塔和核相关设施操作在一个容器被设计为完全隔离组件(5,6]。

Vibration-related潜在风险可适当减少地面振动控制的有限水平框架的“冷却tower-soil-containment”系统。在实践中,有几种测量减少冲击造成的地面振动,例如,软土作为缓冲,一个隔离沟,收件人隔离器(7- - - - - -9]。其中,软材料作为垫层的应用被证明是有效的和经济的特定情况下,广泛应用于工程。例如,在高速铁路工程、橡胶轴承被用作弹性元素减少train-induced振动传输周边地区(10,11]。在类似的情况下的避难所被落石影响,避难所的动态响应可以显著减少砂垫或使用轮胎垫层应用时(12,13]。

提高韧性的“冷却tower-soil-containment”系统在灾难场景中,两个能量耗散材料创新应用和作为缓冲在这项研究。数据2和3说明两种材料的示意图安排,也就是说,泡沫混凝土和“管总成,”这意味着大量薄壁圆形钢管的横向排列,形成一种多孔材料。泡沫混凝土是一种多孔材料,用作飞机软地面避雷器超越跑道事故(19]。如图2,前后的轮子都阻碍了水平拖曳力避雷器所提供的床上。相比于粘土、沙子和水,泡沫混凝土适合逮捕超过飞机由于其稳定的机械性能在广泛的温度,可以忽略crushing-rebounding行为,耐久性,和惰性成分(20.,21]。另一方面,薄壁圆形钢管可以扣在形成一种进步的折叠和失败模式受单轴压缩时,如图3。管的镇压行为与高能量吸收能力(15,22]。塑性屈曲和由此产生的失效模式主要取决于几何参数,例如,高度直径和直径厚度的比率。换句话说,不同的几何参数可以导致失效模式而不是带刺的模式,例如,钻石失败模式和欧拉模式(23]。据作者所知,无论是材料已被用于减轻影响相关地面振动在民用基础设施。

本文提出一种数值研究小说两种材料(即的应用。,foamed concrete and the “tube assembly”) acting as cushions to reduce collapse-induced ground. To achieve this, the behavior of the materials was first investigated. Then, numerical approach to build “cooling tower-cushion-soil” models was presented in detail. Using these models, the collapse of a cooling tower was finally simulated and comparative computation was performed to demonstrate ground vibration reduction by using each cushion. In the simulation, the commercial finite element program ANSYS/LS-DYNA was used [24]。

2。缓冲材料

减少地面振动密切依赖于缓冲材料的属性。对于缓冲影响下降的碎片倒塌的大厦,缓冲材料在单轴压缩下的应力-应变关系是至关重要的,因为缓冲在垂直负载下居多。在这项研究中,适当的泡沫混凝土的应力-应变关系和获得的“管组装”是基于实验研究的文献和试验计算使用部分中给出的模型3实现适当的减振效果。采用诸如缓冲高度4米和2.4米对泡沫混凝土和管总成,分别。

2.1。泡沫混凝土

研究表明,泡沫混凝土单轴压缩下的力学行为主要是依赖于它的密度和温度,同时对应变率(14]。泡沫混凝土的密度0.37克/厘米³在[14)被选择用于本研究基于试验的振动减轻计算。图4说明了在单轴压缩应力-应变曲线进行了测试,这是选择泡沫混凝土应用于本研究。曲线出现了三个阶段:线弹性阶段,粉碎高原阶段,致密化阶段。破碎高原阶段不是平的,但实际上有一个负斜率。

材料模型与关键字_CRUSHABLE_FOAM使用,提供的程序ANSYS / LS-DYNA,特别是适用于可压碎的泡沫状材料。泡沫混凝土的泊松比和阻尼系数都设置为0。其采用抗拉强度为0.3 MPa的基础上研究[25]。弹性行为承担卸货。

2.2。管总成

不同于泡沫混凝土,目前没有实验数据或表达式描述应力-应变关系的“管大会”在单轴压缩下。另外,其应力-应变关系是获得使用数值方法包括以下四个步骤:(1)证实了基于有限元方法(FEM)模型的薄壁管在15];(2)确定一个人的材料和尺寸薄壁管中使用“管组装”;(3)了解个人薄壁管在单轴压缩下的力学行为使用证实有限元模型;(4)获得的应力-应变关系的“等效管”六面体的形式实际上是用于模型部分3为了计算效率。

步骤1(有限元模型(15])。小型薄壁钢管的有限元模型在单轴压缩下开发(15),用实验结果验证。的造型方法是由作者获得一个可靠的数值重建的工具。表1介绍了低碳钢的材料特性ST12用于(15]。作为一个例子,图5作者力-位移曲线比较了模拟的实验结果的圆管(15]。发现带刺的失效模式是模拟和曲线出现折叠或锯齿形式。这个特性是由于轴对称和顺序折叠一端的薄壁钢管在单轴压缩下15,23]。一般来说,力量大小在每个折叠和模拟并同意与测试数据,说明有限元模型的效率。

步骤2(个人的材料和尺寸薄壁管用于“管组装”)。大型薄壁钢管被认为构建“管组装”和有相同的材料特性的低碳钢ST12 (15]。每个大型管的外径850毫米,壁厚20毫米,高2400毫米。这些维度是故意选择有几乎相同的几何尺度(即。直径和高度的比率,直径厚度)的圆管15),以确保发生变形的形成模式。

步骤3(个人薄壁管在单轴压缩下的力学行为)。造型的方法步骤1被用来建立一个有限元模型对薄壁钢管在步骤2了解单轴压缩下的力学行为。图6说明了有限元模型对薄壁管与顶部和底部刚性飞机。砖元素(SOLID164)被用来离散化与降低集成管。零功率控制模式,采用沙漏控制类型4系数设置为0.005。管是网状的到150年垂直水平,“160圆周“,”和四个“层”厚度方向。这导致最大网格大小约16.0毫米×16.7毫米×5.0毫米。材料模型与关键字_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY中使用步骤1也申请了钢铁考虑应变率效应。底部刚性平面固定,上面的活动不断下降的速度为0.5米/秒,20 m / s, 40 m / s,分别和60 m / s。这些速度完全覆盖的速度范围的碎片影响冷却塔的解体后地面部分3。两架飞机的质量和厚度是可以忽略不计。自动单表面接触(_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE)定义的所有部件之间摩擦系数设置为0.3 (15]。图7介绍了薄壁管在单轴压缩下的力-位移曲线在不同速度采用顶部平面。力是底部平面上的总响应地面振动的关键部分3。结果发现常规的波动与压缩变形的增加,这是一个典型的反应为薄壁钢管在单轴压缩下(15]。此外,通常的力量与压缩速度的增加而增加,这也证实了(15]。

步骤4(应力-应变关系的“等效管”)。不合理直接将薄壁管的精细有限元模型的步骤3在“冷却tower-cushion-soil”模型建立部分3,因为这导致了4.6×10⁹元素的缓冲与巨大的数字消费有关。或者,一个合理的解决方案是建立一个“等效管”了(1)离散化的特点,用更少的元素,(2)几乎相同的力学行为的薄壁管在单轴压缩下,和(3)几乎相同的冲击造成的地面振动的薄壁管。

图8(一个)说明了“等效管”的形象以固体的形式六面体尺寸为850毫米×850毫米×2400毫米。“等效管”的密度是5.66×10⁴g /毫米³确保“等效管”的总质量相同的薄壁管。图8(一个)还提出了“当量管”的力-位移曲线在不同速度的单轴压缩下0.5 m / s, 20 m / s, 40 m / s,分别和60 m / s。这些曲线的简化图7考虑(1)保留折叠的特点;(2)近似的折叠;和(3)loading-speed-dependent响应。基于数据8(一个)和8 (b)的应力-应变曲线在单轴压缩的“等效管”在不同的速度。

冲击造成的地面振动之间的比较“薄壁tube-soil”模型和“对等tube-soil”模型,见图9(一个)和9 (b),分别。一套严格的飞机在每个管头初始下降20 m / s的速度,40 m / s,分别和60 m / s。他们的管脚被绑在土壤表面使用关键字_TIED_SURFACE_TO_SURFACE。薄壁管使用中提出的方法模拟步骤3。“等效管”是离散使用砖元素完全整合,分为四个元素在垂直方向,导致网格大小为850毫米×850毫米×600毫米。土壤模型的尺寸为120 m×120 m在飞机和40米厚度的部分中描述的建模策略3在细节。作为一个例子,图9 (c)说明了计算加速度的历史观察地面点32米的距离在径向和垂直方向的初始速度60 m / s。表2礼物的最大加速度在不同的加载速度在径向和垂直方向。地面加速度在切线方向太小由于中心对称,从而忽略了。结果发现,类似的地面振动是通过使用“薄壁tube-soil”模式和“等效tube-soil”模式这意味着“等效管”可以纳入“冷却tower-cushion-soil”模式3更换薄壁管。

3所示。“冷却Tower-Cushion-Soil”模型

3.1。计算的情况下

三个计算情况见图10进行了比较用两种材料作为缓冲减振。案例1包含一个冷却塔和均质土壤有限维度提供一个基线的地面振动。没有缓冲案例1中使用,而在例2和3泡沫混凝土和“管组装”应用作为缓冲材料,分别。这些模型并不包含核相关设备和容器的造型。事实上,一个大模型来描述积分的行为“冷却tower-soil-containment”系统可以建立没有技术性的困难,然而,在巨大的数字消费的成本。另外,控制包括核相关设施可以使用获得的地面振动分别模拟从“冷却tower-cushion-soil”模型作为输入数据以更少的计算成本。这是超出了研究范围和没有了。

图11说明了尺寸和材料参数的钢筋混凝土冷却塔。冷却塔是摘自一个实际项目中描述(26]在冀东核电站的高度185包括一个壳体和支持列。泡沫混凝土的缓冲和的“管总成,”高度4米和2.4米,分别都是一个八角形平面形式的圆内半径120米。平面尺寸的选择是基于碎片区域模拟冷却塔的崩溃。泡沫混凝土均匀构造构建缓冲和横向变形通常是微不足道的泡沫混凝土在单轴压缩下(27]。然而,对于“管总成,”的缓冲薄壁圆管与每一个直径0.85米的独立安排中心间距为1米,导致两个相邻管之间的最小间隙为0.15 m,如图10。这种差距是故意保留这样的折叠(1)管在单轴压缩可以自由形式没有侧向约束引起的相邻管;因此,(2)“等效管”的单轴压缩状态正确实现数值模拟。土壤属于常用中等风化砂质板岩(28]。土壤参数表3。

3.2。造型

两个“冷却tower-cushion-soil”模型为例开发2和3,分别基于“冷却tower-soil”模式适用于案例1。以前,“冷却tower-soil”模型建立的第一作者和他的合作者来预测collapse-induced地面振动使用程序ANSYS / LS-DYNA [2,4,8]。表4简要描述了冷却塔的造型方法和土壤,和更多的细节可以在2,4,8]。对造型的缓冲泡沫混凝土,砖元素完全整合被用来实现数值稳定的筛孔尺寸1 m×1 m×1米。使用的材料模型部分2.1也被应用。对造型的缓冲”管总成,“47660“等效管”是安排每个维度为0.85米×0.85米×2.4米,分开中心间距为1.0米。提出的建模方法是相同的步骤4节2.2。泊松比的“等效管”设置为0。每个垫适当地连接到土壤(_TIED_SURFACE_TO_SURFACE)。

一些问题也解决计算合理的和有效的2,4,8]。首先,柱脚数值与土壤表面分开。通过这样做,地震波输入在柱脚上的元素节点。第二,壳碎片之间的碰撞行为以及贝壳碎片和土壤之间的崩溃过程中。来模拟这些常用的罚函数法。测试结果的参数校准使用影响混凝土块(29日]。第三,对于每一个管,顶端节点约束(_NODE_SET&_SPC_SET),同时只有在垂直方向移动。第四,减少集成应用固体塔列中的元素和土壤模型计算效率,然而,伴随着不受欢迎的零功率模式。适当地控制这些模式、沙漏控制类型4应用。最后,在波传播的有限元动态分析,土壤的最大网格大小的模型, ,应符合以下情商。1)[30.]: 在哪里是波长对应于主波频率, ; 表示考虑下波的传播速度。

七个地面运动波单独用于使冷却塔倒塌,地面振动进行调查。这些波之一是一个常用的人工地震波在核能工程抗震设计在中国。这次地震波匹配标准RG1.60美国原子能委员会提出的反应谱(16),是表示地震波RG1.60在这项研究中。图12介绍了加速度的历史地震波RG1.60在两个水平方向(和)和垂直方向(),1.0 g的PGA规范化。得到了其他六个地震波从太平洋地震工程研究中心31日)考虑npp中常用的土壤属性,也就是说,狼湖(Gilroy数组# 1站),科比(神户大学站),洛马普列塔(Gilroy数组# 1站),北岭(LA坝站),圣费尔南多(Pacoima坝站),惠蒂尔缩小(LA-Wonderland大街站)。峰值地面加速度(PGA)地震波在两个水平方向和垂直方向最初设置为0.3克,0.3 g和0.2 g (g表示重力加速度),分别。由此产生的比为0.3:0.3:0.2 = 1:1:0.67符合GB 50267 - 97的代码(28]。每个地震波输入下面的节点元素列脚摇动冷却塔模型。最终,增量输入与一个固定的步骤进行逐步增加0.1 g pga的两个水平方向和0.067 g在垂直方向,直到塔倒塌。计算,中央差分法用于解决动态方程与时间步长控制的程序和时间步的最大值4×10⁻⁵年代。

3.3。模型验证

“冷却tower-soil”模型验证在几个方面,包括(1)冷却塔的崩溃过程分析模型在列故障测试(32)在振动台试验(33];和(2)原位监测体重下降引起的地面振动(8]。此外,现场监测地面振动引起的钢筋混凝土烟囱的爆破最近执行的第一作者和他的合作者和本用于模型验证18]。烟囱,位于中国上海,是200米高,由控制爆破拆除。“chimney-soil”模型是建立预测地面振动使用相同的建模方法在“冷却tower-soil”模式。图13礼物的鸟瞰烟囱,烟囱维度,地面点的位置在地面振动监测(17]。混凝土的单轴抗压强度为23.4 MPa和钢筋的屈服强度400 MPa。内在和外在的强化比率在圆周方向分别为0.31% -3.3% -1.1%和1.1%,分别。在子午方向分别为0.33% -2.4% -1.3%和1.1%,分别。土壤密度,横波速度,动态剪切模量、泊松比、内聚力、内摩擦角是2200公斤/米³244 m / s, 190 MPa, 0.33, 1.64 MPa,分别和36.42°。烟囱是网状使用64垂直方向的“水平”和157年“条”在子午方向,导致9678壳元素。土壤模型维度的600×600×35 20000离散使用固体元素。元素实际上被爆破数值通过一个“杀死”技术所提供的程序ANSYS / LS-DYNA。图14比较了现场监测和模拟的地面振动加速度记录点 。表5介绍了现场监测和模拟的地面振动加速度振幅 。结果发现,振动的“跌倒”和“影响地面”阶段是预测的最大误差加速度振幅从−2.55%到2.88%不等。然而,比较“爆破”阶段的振动是不可用的,因为爆破效果模拟。

4所示。振动减轻

4.1。冷却塔的崩溃

冷却塔幸存下来,直到一定PGA的单个地震了。作为一个例子,图15说明了崩溃的过程下的冷却塔地震波RG1.60特色与“正直”崩溃的崩溃模式8]。一个主导方向和崩溃点在300米的距离观察地面振动也显示在图15。

4.2。振动减轻影响

图16说明了collapse-induced地面振动的加速度记录点径向、切向和垂直方向的情况下1、2和3的冷却塔在地震RG1.60浪潮。表6比较最大加速度振幅在径向、切向和垂直方向在不同距离情况下1、2和3为七地震波下的冷却塔。计算,个人占主导地位的崩溃崩溃的冷却塔在每个方向地震波在评估地面振动。结果发现,使用每个缓冲collapse-induced地面振动明显降低。的观察点300米的距离,这是典型的冷却塔之间的间距和相邻核岛在中国,平均最大加速度振幅下降了91%,79%,和92%的径向、切向、和垂直方向2和53%,32%和59%的3,分别。显然,在有关情况下,泡沫混凝土是更有效的比“管组装。“此外,减振变得软弱和增加距离。

4.3。讨论

三个问题进行了讨论在本节内,也就是说,缓解地面振动的影响,坐垫的高度,缓解效果的比较与先前的研究。不同的缓解效应归因于相关物理性能(如强度和可变形性)和相关的动态响应缓冲(如压缩高度和能量吸收)。首先,如图4和8 (b),泡沫混凝土的强度平均约0.61 MPa和相应的值介于13.6到20.8 MPa的“等效管”在不同的加载速度。两个坐垫有一个极限应变约为0.7。在适当的条件下,“软”缓冲(如泡沫混凝土)通常导致一个更好的缓解效果比“硬”缓冲(如“管组装”)。这已经被普遍接受的工程实践和确认(4]。换句话说,两个垫子的缓解效果类似如果他们的相关物理性能(如强度和可变形性)相媲美。然而,详细研究超出了本研究的范围。其次,因此,两个垫压缩的压缩高度下降壳碎片明显不同。图17说明了压实的分布高度两个垫子地震波下的冷却塔RG1.60。泡沫混凝土的高度4米最大压缩约3.80米这意味着泡沫混凝土几乎是完全压缩密实化阶段在某些地方。然而,“管组装”最大压缩由约0.61显著低于泡沫混凝土的压实高度3.80米。第三,两个垫子的能量吸收能力是不同的。图18说明了发展历史的“冷却tower-cushion-soil”系统的总能量,每个缓冲吸收能量,剩余的能量系统的地震下RG1.60浪潮。结果表明,在有关情况下,泡沫混凝土具有更高的能量吸收能力和剩余能量低于“管组装”,导致一个更显著的减振。

泡沫混凝土垫高度4米和2.4米的“管组装”选择考虑可能的高度使用的坐垫在实践中,可用实验数据和压缩高度下降影响壳碎片。“管总成”的高度也符合先前的研究中使用的管的几何参数(15),也就是说,高度直径和直径厚度的比率。几何参数的变化可能导致失效模式而不是带刺的失效模式采用在这项研究中,因此,这些几何参数没有改变。

地面振动的影响减少使用泡沫混凝土相比,使用其他方法。在[4],“软”土壤(粘土)的深度5米作为上覆土壤上面的岩石,一个活跃的隔离沟的深度20米,和一个被动隔离沟的深度20米被用来减少collapse-induced振动,分别。一系列的最大加速度振幅减少28%−54%,39%−57%,和12%−32%点的距离350米,分别。一般来说,一次性冲击造成的地面振动的减振效果使用泡沫混凝土是更有效地比那些使用方法上覆土壤和隔离沟“软”。

5。结论

数值研究探讨缓解collapse-induced地面振动使用两种材料作为缓冲,也就是说,泡沫混凝土和“管组装”加强“冷却tower-soil-containment”系统的弹性对npp postearthquake灾难。这两种材料有很高的能量耗散能力,然而,没有发现振动控制领域的使用。此研究表明,两种材料的巨大潜力在减振使用七地震波。对泡沫混凝土高度4米,collapse-induced指着远处的地面振动300降低了91%,79%,和92%的径向、切向和垂直方向。这些值分别为53%,32%,59%的“管总成”的高度2.4米。显然,振动影响显著缓解。在有关情况下,泡沫混凝土是比“管组装”和其他更有效的方法,例如,使用覆盖“软”土壤和隔离沟的先前的研究。

一个优化的方法是可能的,例如,在每个缓冲的材料特性和高度。这种方法并不是表现在这项研究中,并将在未来的研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢中国国家自然科学基金会的资金支持(批准号51578399)。