核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其包括以下步驟：步驟一，建立防波堤和海床地基的三維有限元模型；步驟二，通過向步驟一得到的防波堤系統(tǒng)三維有限元模型中導(dǎo)入土體及防波堤結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力進(jìn)行初始工況仿真，得到防波堤系統(tǒng)的初始應(yīng)力狀態(tài)；步驟三，向步驟二中初始狀態(tài)的防波堤系統(tǒng)三維有限元模型中添加外部仿真條件后，應(yīng)用顯式非線性有限元方法在超級計(jì)算機(jī)平臺上進(jìn)行求解，得到防波堤的地震響應(yīng)；步驟四，利用步驟三得到的防波堤系統(tǒng)動態(tài)地震響應(yīng)對防波堤抗震性能做出評定。本發(fā)明可以提高了計(jì)算效率及精度，可以縮短防波堤設(shè)計(jì)工期，為防波堤系統(tǒng)及類似海防工程的抗震設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確和合理的科學(xué)指導(dǎo)。
【專利說明】核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種防波堤地震安全性【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，特別是涉及一種核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，國家逐步意識到核電發(fā)展的重要性，大力開發(fā)核電資源，未來十五年到二十年內(nèi)，我國將再建大型核電站24座，裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)到4000萬千瓦。核電資源的本質(zhì)決定了其固有的放射性危險(xiǎn)，如何安全利用核電資源勢必成為核電發(fā)展所要考慮的首要因素。核電站廠址多數(shù)臨海，防浪堤作為核電廠海防工程可以抵御海潮及海嘯對核電廠區(qū)的威脅，地震時一旦發(fā)生破壞，將嚴(yán)重威脅核電廠區(qū)運(yùn)營安全。因此，通過動力計(jì)算得到防浪堤動態(tài)地震響應(yīng)及破壞模式，對核電站的安全運(yùn)營具有舉足輕重的意義。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，在防波堤抗震性能數(shù)值模擬領(lǐng)域，有限元方法以其準(zhǔn)確高效的特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，成為這一領(lǐng)域使用的主要方法。然而目前大量研究都是建立在二維簡化模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，多數(shù)仿真中也沒有考慮材料塑性對防波堤抗震性能的影響。以往研究偏重于時間變化特征，一般將防波堤模型簡化為平面應(yīng)變模型，從強(qiáng)度及頻譜等方面來進(jìn)行研究，在進(jìn)行分析時，多假設(shè)各支點(diǎn)所受的激勵是一致的，但防波堤結(jié)構(gòu)軸線長度較長，屬于典型的空間結(jié)構(gòu)，地震波到達(dá)各點(diǎn)的時間不同，引起的響應(yīng)必然存在差異。另外，地震波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會發(fā)生反射、折射以及疊加，地震波傳播過程中能量耗散會引起衰減效應(yīng)，以及沿岸地質(zhì)條件差異等因素也都不容忽視。因此對于沿海防波堤工程，至今缺乏有效的方法對防波堤整體三維有限元模型進(jìn)行抗震性能模擬。
[0004]進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，王麗艷等在《巖土力學(xué)》2011，Vol31 (11):3556-3562上發(fā)表的“砂性地基中防波堤地震殘余變形機(jī)制分析與液化度預(yù)測法”采用多重剪切機(jī)構(gòu)塑性模型，分析了防波堤地震中的殘余變形機(jī)制。文中采用塑性模型對防波堤地震響應(yīng)進(jìn)行了仿真，但其研究是基于二維模型進(jìn)行的，不能考慮地震過程中的行波效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其根據(jù)防波堤工程抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和抗震要求，借助超級計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算和海量數(shù)據(jù)處理能力，提高防波堤抗震性能模擬的準(zhǔn)確性和全面性，為防波堤工程的抗震設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
[0006]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:一種核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，其包括以下步驟:
[0007]步驟一，建立防波堤和海床地基的三維有限元模型，其中:防波堤有限元模型包括堆石模型，填土模型，土工織料模型，鎮(zhèn)腳模型，空心塊模型以及擋浪墻模型；海床地基模型為層狀土模型；防波堤堆石、填土以及土工織料采用共節(jié)點(diǎn)連接方式，并與護(hù)面結(jié)構(gòu)采用動態(tài)接觸連接；防波堤堆石底部與海床地基表面采用固連接觸連接；海床地基土層間均采用共節(jié)點(diǎn)連接；模型邊界設(shè)置粘彈性人工邊界條件；
[0008]步驟二，通過向步驟一得到的防波堤系統(tǒng)三維有限元模型中導(dǎo)入土體及防波堤結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力進(jìn)行初始工況仿真，得到防波堤系統(tǒng)的初始應(yīng)力狀態(tài)；
[0009]步驟三，向步驟二中初始狀態(tài)的防波堤系統(tǒng)三維有限元模型中添加外部仿真條件后，應(yīng)用顯式非線性有限元方法在超級計(jì)算機(jī)平臺上進(jìn)行求解，得到防波堤的地震響應(yīng)；
[0010]步驟四，利用步驟三得到的防波堤系統(tǒng)動態(tài)地震響應(yīng)對防波堤抗震性能做出評定；防波堤系統(tǒng)最大沉降小于設(shè)計(jì)允許值則認(rèn)為防波堤系統(tǒng)抗震性能良好，否則對防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)并重新模擬直至其滿足抗震要求。
[0011]優(yōu)選地，所述步驟二采用基于接觸負(fù)載均衡的并行計(jì)算方法，具體包括以下步驟:
[0012]步驟二十一，對整體有限元模型加載重力，為避免加載過程中的沖擊，重力按照一定斜率從零緩慢增大到最終值；設(shè)置適當(dāng)?shù)娜肿枘?，并在外海?cè)防波堤及海床表面施加附加質(zhì)量及靜水壓力，使應(yīng)力在一定時間后達(dá)到平衡狀態(tài)；
[0013]步驟二十二，將平衡狀態(tài)下的土體應(yīng)力場導(dǎo)出，作為初始地應(yīng)力加載；同時仍對整體模型施加重力載荷進(jìn)行地應(yīng)力平衡；
[0014]步驟二十三，將步驟二十二的平衡狀態(tài)下土體及堆石體應(yīng)力場導(dǎo)出，作為初始應(yīng)力加載；同時對整體模型加載重力直至平衡；
[0015]步驟二十四，將步驟二十三的平衡狀態(tài)下整體模型所有單元的應(yīng)力導(dǎo)出，作為后續(xù)地震分析的初始應(yīng)力場。
[0016]優(yōu)選地，所述防波堤有限元模型為按照幾何結(jié)構(gòu)建立的三維有限元模型；海床地基模型為防波堤周圍海床表面至地下200m范圍內(nèi)的三維有限元模型；空心塊模型為標(biāo)準(zhǔn)空心塊的簡化體。
[0017]優(yōu)選地，所述三維有限元模型材料本構(gòu)為基于Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)。
[0018]優(yōu)選地，所述全局阻尼是指Rayleigh阻尼，其表達(dá)式為:
[0019]C= α M+ β K
[0020]其中M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣；根據(jù)振型正交條件，α = ξω，β = ξ/ω，其中I為結(jié)構(gòu)的阻尼比，ω為結(jié)構(gòu)的固有頻率。
[0021]優(yōu)選地,所述附加質(zhì)量指采用Westergaard公式計(jì)算得到的動水壓力影響，其計(jì)算公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，其包括以下步驟: 步驟一，建立防波堤和海床地基的三維有限元模型，其中:防波堤有限元模型包括堆石模型，填土模型，土工織料模型，鎮(zhèn)腳模型，空心塊模型以及擋浪墻模型；海床地基模型為層狀土模型；防波堤堆石、填土以及土工織料采用共節(jié)點(diǎn)連接方式，并與護(hù)面結(jié)構(gòu)采用動態(tài)接觸連接；防波堤堆石底部與海床地基表面采用固連接觸連接；海床地基土層間均采用共節(jié)點(diǎn)連接；模型邊界設(shè)置粘彈性人工邊界條件； 步驟二，通過向步驟一得到的防波堤系統(tǒng)三維有限元模型中導(dǎo)入土體及防波堤結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力進(jìn)行初始工況仿真，得到防波堤系統(tǒng)的初始應(yīng)力狀態(tài)； 步驟三，向步驟二中初始狀態(tài)的防波堤系統(tǒng)三維有限元模型中添加外部仿真條件后，應(yīng)用顯式非線性有限元方法在超級計(jì)算機(jī)平臺上進(jìn)行求解，得到防波堤的地震響應(yīng)； 步驟四，利用步驟三得到的防波堤系統(tǒng)動態(tài)地震響應(yīng)對防波堤抗震性能做出評定；防波堤系統(tǒng)最大沉降小于設(shè)計(jì)允許值則認(rèn)為防波堤系統(tǒng)抗震性能良好，否則對防波堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)并重新模擬直至其滿足抗震要求。
2.如權(quán)利要求1所述的核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，所述步驟二采用基于接觸負(fù)載均衡的并行計(jì)算方法，具體包括以下步驟: 步驟二十一，對整體有限元模型加載重力，為避免加載過程中的沖擊，重力按照一定斜率從零緩慢增大到最終值；設(shè)置適當(dāng)?shù)娜肿枘?，并在外海?cè)防波堤及海床表面施加附加質(zhì)量及靜水壓力，使應(yīng)力在一定時間后達(dá)到平衡狀態(tài)； 步驟二十二，將平衡狀態(tài)下的土體應(yīng)力場導(dǎo)出，作為初始地應(yīng)力加載；同時仍對整體模型施加重力載荷進(jìn)行地應(yīng)力平衡； 步驟二十三，將步驟二十二的平衡狀態(tài)下土體及堆石體應(yīng)力場導(dǎo)出，作為初始應(yīng)力加載；同時對整體模型加載重力直至平衡； 步驟二十四，將步驟二十三的平衡狀態(tài)下整體模型所有單元的應(yīng)力導(dǎo)出，作為后續(xù)地震分析的初始應(yīng)力場。
3.如權(quán)利要求2所述的核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，所述防波堤有限元模型為按照幾何結(jié)構(gòu)建立的三維有限元模型；海床地基模型為防波堤周圍海床表面至地下200m范圍內(nèi)的三維有限元模型；空心塊模型為標(biāo)準(zhǔn)空心塊的簡化體。
4.如權(quán)利要求3所述的核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，所述三維有限元模型材料本構(gòu)為基于Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)。
5.如權(quán)利要求2所述的核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，所述全局阻尼是指Rayleigh阻尼，其表達(dá)式為:
C= α M+ β K 其中M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣；根據(jù)振型正交條件，α = ξω，β = ξ/ω，其中ξ為結(jié)構(gòu)的阻尼比，ω為結(jié)構(gòu)的固有頻率。
6.如權(quán)利要求2所述的核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，所述附加質(zhì)量指采用Westergaard公式計(jì)算得到的動水壓力影響,其計(jì)算公式為:
古 W"--1- 其中P為海水的密度為堤前水深；yi為計(jì)算點(diǎn)處單元形心到水面的水深；α堤面與水平面的夾角A為單元控制面積。
7.如權(quán)利要求1所述的核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，所述外部仿真條件是指輸入地震波激勵，包括一致性地震激勵和非一致性地震激勵。
8.如權(quán)利要求7所述的核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，所述一致性地震激勵是指在底部所有節(jié)點(diǎn)施加相同的地震時程激勵。
9.如權(quán)利要求7所述的核電站防波堤抗強(qiáng)震性能預(yù)測與評價方法，其特征在于，所述非一致性地震激勵是指:底部節(jié)點(diǎn)在地震波傳播方向上存在相位差，相位差大小與節(jié)點(diǎn)間距和地震波速有關(guān)，非一致激`勵仿真工況包括不同地震波速。
【文檔編號】G06F19/00GK103559383SQ201310464264
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】楊勛, 金先龍, 王歡歡, 樓云峰, 王小慶, 張偉偉 申請人:上海交通大學(xué)