复杂地基条件下桩-土-核岛结构相互作用模型研究

合理有效地模拟桩-土-结构动力相互作用是软土地基条件下核岛厂房结构抗震适应性分析及地基处理的关键环节。以某拟建核岛厂房实际工程为研究背景,结合SuperFLUSH软件平台,以Goodman单元模拟桩与桩周土间的接触效应,采用等价线性法描述近场软土地基非线性特性,并在模型底部和侧面引入黏性边界模拟半无限地基辐射阻尼效应,从而建立土质地基条件下桩-土-核岛结构相互作用分析模型。进而,通过对原状地基和嵌岩桩处理地基条件下核岛厂房的楼层反应谱、结构节点相对位移（绝对值）的对比分析,探讨考虑桩-土间接触效应的嵌岩桩基对核岛厂房结构的影响规律。研究成果可为实际工程中类似土质地基条件下核岛厂房结构的地基处理提供参考。     

考虑桩-土-结构动力相互作用的土质地基条件下核岛厂房地震响应分析

在有限元框架内以全耦合方式考虑群桩效应的影响,引入粘性人工边界模拟无限地基辐射阻尼效应,并采用等效线性法模拟地基非线性特征,建立了嵌岩桩-土-结构动力相互作用计算模型;基于此模型,以CPR1000核岛厂房结构为研究对象,综合对比分析原状土质地基条件下和嵌岩桩处理地基条件下核电厂房地震响应。研究结果可为类似地基条件下核岛厂房的抗震设计提供参考。     

考虑强震激励的某核岛厂房非岩性地基不同处理方案的对比研究

如何选取非岩性地基的处理方案对于不满足抗震适应性要求的核岛厂房地基而言具有重要的工程实用价值。结合国内某内陆核电不符合抗震适应性要求的实际厂址条件,给出地基处理方案评价的数值计算模型及分析过程。首先针对该核电工程实际项目,提出嵌岩桩、CFG桩及水泥土搅拌桩三种地基预处理方案,并以规范法验证处理后地基的承载力要求;进而通过建立非岩性地基条件下的桩-土-结构动力相互作用计算模型来综合考虑各方案对核岛厂房的地震响应影响,其中通过引入黏性人工边界和能量传递边界模拟无限地基辐射阻尼效应,采用等效线性法描述近场地基非线性特征,并基于上述有限元模型以全耦合方式考虑群桩效应的影响;最后从满足厂址地基适应性和经济效益两方面进行综合评价,给出针对本工程的最佳设计方案。该分析方法及研究成果可为类似条件下的核岛厂房非岩性地基处理方案的比选问题提供借鉴与参考。     

某沿海软土地区核电厂核岛天然地基及桩基抗震承载力分析

针对我国核岛厂房建设尚没有采用桩基础的现状,以某拟建核电厂嵌岩桩加固后的软土地基为研究对象,采用滑面应力法确定地基天然承载力,采用等效线性法描述近场地基非线性特征,粘性人工边界模拟辐射阻尼效应及考虑桩土效应影响的节点耦合,建立了桩-土-结构动力相互作用模型,并通过有限元分析计算得到静力、地震作用下桩体内力分布,给出满足抗震承载力要求的配筋方案。研究结果可为类似条件下的核岛厂房软土地基处理方案的抗震设计提供借鉴与参考。     

软土地基核电厂房动力响应振动台试验

为了分析软土地基－筏基础核电厂房结构地震反应规律和特征,利用地震模拟振动台开展了软土地基－筏基础－核电厂房动力相互作用问题的试验研究。分别进行了表面水平土体模型和表面凹陷土体模型的运动相互作用试验、地基土－筏基础－核电厂房振动台相互作用试验、核电厂房直接固定在振动台面上的刚性基底振动台试验。试验采用圆形叠层剪切模型箱,地基土模型为某工程场地的均匀粉质粘土,其剪切波速为213 m/s;核电厂房简化为3层框架剪力墙结构模型。试验输入波形为美国核电规范常用的RG1.60反应谱合成得到的人工地震动时程。振动台试验结果对比分析表明:土－结构体系中系统的振动周期和阻尼明显大于刚性基底下结构的振动周期和阻尼;相同地震作用下在土－结构动力相互作用体系中结构加速度明显小于刚性基底下的结构加速度反应;而位移明显大于刚性基底下结构的位移。本文的研究成果可为软土地基建立核岛厂房的适应研究提供参考。     

考虑土-结构相互作用和岩土参数不确定性的核电厂结构地震响应分析

针对核电厂结构,在考虑土-结构相互作用(SSI)的情况下进行随机地震反应分析,探讨地基岩土参数的不确定性对反应堆厂房楼层反应谱(FRS)的影响。运用ANSYS软件模块建立核电厂(NPP)结构有限元模型,通过设置边界弹簧单元和阻尼装置来考虑SSI效应;并且通过设置具有概率意义的弹簧刚度和阻尼系数,来模拟土特性参数的不确定性。随机响应分析与确定性分析的结果对比,揭示了岩性地基条件下SSI效应对核电厂FRS的影响以及地基岩土参数不确定性对FRS的影响程度。研究表明,在岩性地基条件下,亦不应忽略SSI效应;考虑SSI效应的随机分析模型同确定性模型相比,二者的分析结果较为接近,两方法都可用于NPP的FRS敏感性分析评估之中,并可进行相互比照。     

层状地基上核电结构抗震分析与应用

基于积分变换、对偶方程与精细积分算法求解多层地基任意形状刚性基础的动力刚度,构建频域框架内的地基动力分析模型,以MATLAB为平台开发了相关软件。利用子结构法在对某百万千瓦级大型核电站进行了结构-地基相互作用分析,得到了该厂房的楼层反应谱。数值算例验证了动力刚度算法的准确性、可行性与工程适用性,对于复杂层状地基上的核电抗震设计具有指导意义。     

设计改进对核电站厂房楼层反应谱的影响分析

某核电站厂房由于工艺需要进行了设计改进,为保障厂房内核安全相关设备的抗震安全性,需要进行楼层反应谱的评估。考虑不同的场地动力数值模型,在均质场地和分层场地条件下,对比分析了此设计改进厂房与参考电站厂房的自振频率、典型的楼层反应谱及加速度响应。分析结果表明:此设计改进使厂房结构较参考电站偏柔性;在水平X方向及竖直Z向,典型楼层的反应谱峰值偏大,水平Y方向的典型楼层反应谱峰值偏小,且变化幅值均在10%以内。     

复杂非均质场地条件下核电厂联合泵房抗震安全性评价分析

鉴于核电厂选址的愈发复杂多样性,合理有效地模拟复杂非均质地基条件下抗震I类物项结构的静动力耦合响应是进行抗震安全性评价的关键技术问题。以某核电厂联合泵房的实际厂址地基为背景,针对静动力分析中的边界处理问题,基于Newmark隐式积分特点和黏弹性人工边界理论,提出了一种适于静动力耦合分析求解的人工边界模型,并通过创建无厚度紧支黏弹性人工边界单元实现了所开发模型在ANSYS平台的嵌入。进而,通过联合泵房结构静力分析与极大初始时间步分析的对比,验证所提出模型的合理可靠性。最后,从结构应力、响应及地基稳定性等方面对联合泵房进行了综合评价,并就地基局部非均质的影响进行探讨。研究结果表明：实际厂址中局部捕虏体的存在对联合泵房结构的地震响应及地基安全性影响较小,且所建立模型具有较好地解决非线性动力相互作用问题的潜力。     

局部复杂场地条件对核电结构自振特性的影响分析

自振特征是核电厂结构动力分析首先应考虑的因素,它也是影响核电厂反应谱特征的关键因素之一。采用常规的自振特性分析方法(如Lanczos法等)只能以核电厂上部结构为模型进行计算求其固有频率,在复杂场地条件下,这样的计算结果通常与更符合实际的土-结构相互作用(SSI)模型计算结果存在较大差异。本文以SASSI用户手册中的典型压水堆核电厂土-结构动力相互作用模型为研究对象,采用时域显式有限元法结合透射人工边界方法及相应编写的三维显式有限元程序3DSSI,计算了同一上部结构,结合多工况局部复杂场地条件的核电厂SSI体系的单脉冲响应,并通过求传递函数幅值谱方法,获得各种工况下SSI体系的自振频率。依据计算结果,分别研究了核电厂上部结构、自由场及SSI体系的自振特征及其相互联系,并通过比较研究,讨论了局部复杂场地特性对核电厂SSI体系自振特性影响等问题,进而加深了对核电厂动力特征及动力安全区性的认知。     

考虑地基不均匀性核反应堆地震响应分析

核电站结构地震响应主要取决于地震动特性、地基土特性以及结构特性.本文以某核电站反应堆厂房结构为对象,研究了考虑土-结构相互作用的不均匀地基土对核反应堆地震响应的影响,包括核反应堆和地基的最大加速度、楼层最大相对位移以及楼层多阻尼反应谱.结构地震响应分析使用SUPERFLUSH/2D软件,地基模型由ANSYS建模;核反应...     

计算核电厂楼层反应谱的直接法及其对比分析

核电厂的楼层反应谱分析是核电厂房主结构和设备子系统抗震设计的主要依据.楼层谱计算方法可分为2种类型,一种是通过地震动反应谱输入直接得到楼层谱的计算方法,简称直接法;另一种是通过地震波输入的时程分析计算方法,简称时程法,文中主要研究前者.首先简要评述了几种具代表性的直接法,例如Biggs方法、Kaput方法、Singh方法等,并对它们的优缺点进行了分析.然后总结了我们的工程经验,并在Biggs和Kapur方法的基础上,提出一种修正模态法,既考虑了结构-地基动力相互作用的影响,又计算简便易行,也可获得比较满意的精确度.     

核岛近区域复杂场地的波动场动力特性研究

核岛场地动力特性对核电站结构的地震响应有重要影响。输入波动场构成了结构-地基动力相互作用分析的完整的地震动输入条件,核岛近区域的复杂场地改变了输入波动场的动力特性。本文从工程抗震角度,以现有大型通用有限元软件ANSYS为基础,进行二次开发,建立全三维(3D)地基模型,并引入人工透射边界条件,模拟地基的辐射效应。采用传递函数的分析方法,输入位移脉冲函数,输出关注位置的位移响应。本文探讨了核电场地近区域存在水平软弱层、夹杂体以及开挖场地的输入波动场的动力特性。结果显示水平软弱层具有明显的放大低频、过滤高频的作用;夹杂体的位置和开挖深度对输入波动场的动力特性也有不同程度的改变。本文方法可为核电厂工程结构的抗震设计提供一定的技术依据。     

结构-地基动力相互作用时域数值计算模型研究

完全在时域数值分析范畴内，本文对结构一地基动力相互作用系统运动方程进行了深入推导，给出了统一的基本表达形式，简化可获得目前应用的各类主要时域模型。其中，基于结构一地基交界面的位移协调条件及作用力与反作用力平衡方程，推导了动力相互作用分析子结构法模式的时域基本方程。从结构的一般动力平衡方程出发，推导了相互作用直接法模式的基本平衡方程，并基于有限元模型对两类模式间的等价性条件进行了理论验证。     

某高温气冷堆核电厂结构地震反应分析

以某高温气冷堆核电厂结构为原型,利用有限元软件建立三维结构实体模型,开展了模态分析和弹性动力时程分析的数值计算,以探讨某高温气冷堆核电厂的结构特性和抗震性能,并重点分析了在三向地震动作用下高温气冷堆核电厂的加速度、位移反应时程和楼层反应谱.总体上看,高温气冷堆核电厂在两个水平向的刚度比较均匀,楼层反应接近,布局较为合理;在三向地震动作用下,顶层中心点的竖向楼层反应均明显大于两水平方向楼层反应,因此在高温气冷堆核电厂结构设计中,应关注竖向地震动对核电厂地震反应带来的不利影响.     

求解结构-无限地基动力相互作用的高阶透射边界频域方法

基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element method,SBFEM)对结构-无限地基系统进行了频域的动力相互作用分析。通过一种新的高阶透射边界对无限地基进行模拟,该透射边界是基于无限域动力刚度矩阵的连分式解形式,连分式的系数通过以动力刚度矩阵表示的比例边界有限元方程递推计算。通过数值算例验证了该高阶透射边界的收敛性,并与解析解进行了比较,表明该方法具有较高的精度。最后对重力坝-库水-无限地基系统进行了频域分析,将计算结果与无质量地基模型进行了对比。对比结果表明,所提地基模型计算的结果与无质量地基模型的计算结果相比降低约20%。该方法可以有效地进行二维和三维大型结构-地基相互作用分析。     

考虑流固耦合作用AP1000核电厂屏蔽厂房减震效应研究

为了研究地震作用下AP1000核电厂重力水箱的减震作用。本文基于任意拉格朗日欧拉流固耦合算法,建立AP1000核电厂屏蔽厂房重力水箱8种水位工况的全耦合精细有限元分析模型,分析满足RG1.60反应谱的核电人工波作用下重力水箱的动力响应,参数化分析屏蔽厂房不同位置的加速度和位移响应与水箱水位高度、空气高度、水位高度比以及水箱振荡频率之间的相互作用规律和机制,探究核电厂重力水箱的最优减震水位。计算结果表明:在满足核电厂供水的条件下,当水位为工况3,水位高度为8.8 m,水位高度比为0.75时,AP1000核电厂屏蔽厂房动力响应最小,减震效果最优。     

基于UPFs的珊瑚岛礁场地地震反应分析方法研究

合理且高效地模拟珊瑚砂非线性动力特性、远场无限地基辐射阻尼以及海域岛礁动水压力的影响是进行珊瑚岛礁抗震安全分析的关键技术问题.以通用有限元软件ANSYS为研究工具,基于UPFs二次开发灵活性的特点,建立了适用于珊瑚砂地基条件下的岛礁场地地震反应分析时域计算模型.通过创建一种新的珊瑚砂等价线性单元描述岛礁场地的非线性动力...     

AP1000核电厂模型基底隔震振动台试验研究

为研究AP1000核电厂基底隔震性能,设计了缩尺比为1/40的AP1000核电厂模型结构,进行了AP1000核电厂模型基底隔震振动台试验。试验中采用铅芯橡胶隔震支座进行隔震,并选取RG1.60人工波、El Centro波和Kobe波作为地震动输入。本文从加速度响应、楼层加速度反应谱、加速度峰值放大系数、减震率等方面对隔震与非隔震核电厂结构的地震响应特性进行了研究。试验结果表明:隔震能明显减小上部结构水平向加速度响应和加速度反应谱峰值,而在隔震频率处隔震模型加速度反应谱有所增加;隔震模型由于摇摆效应在隔震频率处的水平向楼层加速度反应谱随楼层高度的升高先减小后增大;在三向输入地震动作用下,隔震和非隔震AP1000模型各楼层在竖向基频附近的竖向加速度反应谱较竖向输入的地震动放大较为明显。     

基于高阶双渐近透射边界的重力坝-层状地基动力相互作用分析

时域高阶双渐近透射边界能够同时模拟层状介质中行波和快衰波的传播,具有很高的计算精度和计算效率.本文将高阶双渐近透射边界推广应用到多层层状地基系统弹性波传播问题的模拟,采用广义特征值分解分析该透射边界的数值稳定性,通过移谱法消除导致数值不稳定的虚假模态.将高阶双渐近透射边界以超单元的形式直接嵌入到近场有限元方程,建立了有限元-高阶双渐近透射边界时域耦合分析模型,并将其应用到重力坝-层状地基动力相互作用分析.数值算例分析结果表明,该时域耦合分析模型具有很高的精度和计算效率,适用于实际重力坝工程的地震响应分析.