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钢筋混凝土安全壳在内爆荷载下的动力 响应# 陈健云，赵春风* 基金项目：国家自然科学基金重点项目（51138001），高等学校博士学科点专项科研基金（20110041110012） 作者简介：陈健云，（1968-），男，教授，结构的静动力分析和抗减震措施，结构的地震灾变和风险评价 技术等。E-mail: chenjydg@dlut.edu.cn 5 （大连理工大学工程抗震研究所，辽宁 大连 116024） 摘要：钢筋混凝土安全壳是核电站的重要组成部分，由地震、火灾等引起安全壳的内部爆炸 可能导致放射性物质的泄露，会造成严重的灾难。运用非线性有限元软件LS-DYNA，建立 钢筋混凝土安全壳有限元模型，采用分离式建模方法和流构耦合算法，对钢筋混凝土安全壳 进行了内部爆炸极端工况下的数值分析，研究了内爆炸冲击波作用下安全壳内的动力响应。 10 结果表明，在比例距离为0.788m/kg1/3，爆炸源距基底48m 的内爆作用下，安全壳的穹顶 是整体结构的薄弱环节，最易破坏。 关键词：钢筋混凝土安全壳；内部爆炸；比例距离；动力响应 中图分类号：TU378 15 Dynamic Response of Reinforced Concrete Containment Subjected to Internal Blast Loading CHEN Jianyun, ZHAO Chunfeng (Institute of Earthquake Engineering,Dalian University of Technology, LiaoNing DaLian 116024) Abstract: Reinforced concrete containment (RC) is the most significant component of the nuclear 20 power plant. It may lead to serious disaster owning to the leakage of radioactive materials as the reasons of internal explosion of reinforced concrete containment caused by earthquakes, fires or terrorist attacks et al. The aim of this paper is to investigate numerical simulation and the response of RC containment subjected to internal blast loading by employing discrete model and fluid-structure coupling algorithm to build the finite element model of RC containment with the 25 help of nonlinear finite element software LS-DYNA.The results indicate that the dome of the containment is the weakest link in overall structure when the containment subjected to internal explosion under scale distance of 0.778 m/kg1/3 on condition that the explosion source above base 48 meters. Keywords: Reinforced Concrete Containment; Internal Explosion; Scale Distance; Dynamic 30 Response 0 引言 核电站的安全壳是核电站的重要组成部分，它的作用就是在核电站遭受内部或外部事故 像大火、地震，飓风，飞机撞击等事故造成核泄漏时用来保护环境和人民群众生命安全的设 35 施，因此研究爆炸冲击作用下核电站的安全防护性能具有重要的意义。 过去有许多学者已经对核电站的安全壳进行了一些研究。Rebora[1]，Crutzen[2], Cervera[3] 和Abbas[4]等都对飞机对核电站的外层安全壳的冲击进行了研究，这些研究仅仅是研究了安 全壳上炸药爆炸的效果，而没有对安全壳的动力响应进行研究。Pandey[5]等人研究了钢筋混 凝土安全壳遭受外部爆炸时安全壳的动力响应；文献[6-9]深入研究了冲击波在不同介质中的 40 传播规律和安全壳的动力响应，同时提出了一些经验公式；Hu[10]利用ABAQUS 有限元软件 研究了Maanshan 核电站预应力安全壳的极限承载能力和它的破坏模式；Bao[11]等人运用 LS-DYNA 非线性有限元软件数值模拟了钢筋混凝土塔器在近距离爆炸冲击的动力响应和残 余强度；王天运[12]等人建立了钢筋混凝土分离式有限元模型，分别对200m/s、400m/s 和 600m/s 着靶速度的弹丸侵彻预应力混凝土安全壳的过程进行了数值模拟;王天运[13]建立了核 45 电站安全壳在爆炸冲击波作用下的动力分析模型，讨论并分析了质点杆模型在安全壳预应力 混凝土结构中的应用；文献[14]研究了弹药侵彻进入安全壳内部发生爆炸，安全壳结构的薄 弱部位及其应力集中现象，检验安全壳强度是否充足可靠。 目前大多数的研究集中于安全壳遭受外部爆炸荷载或是地震等作用下，它的可靠性分 析，针对安全壳内部发生爆炸（像福岛核电站氢气爆炸）的研究较少，直到2011 年3 月福 50 岛核事故的发生。本文采用非线性动力有限元软件LS-DYNA,对钢筋混凝土安全壳进行内部 爆炸荷载作用下的动力响应特性和破坏规律分析。 1 计算模型和材料参数 1.1 有限元模型 安全壳由内径40m 的圆柱体和半球形穹顶组成，筒体高度48m，壁厚1.1m；穹顶壁厚 55 0.9m；安全壳的总体高度为68.9m。在水平角0°和180°处外设两个扶壁柱。安全壳的的 净自由容积大于60000m3，设计内压为0.4MPa，混凝土采用C50。安全壳坐落在6.5m 的基 础地板上，底板的厚度约为壁厚的6 倍，经计算模型未考虑地板变形对整体结构的影响，安 全壳的底部为固支。TNT 炸药位于安全壳的内部，悬空于基底48m 的上方爆炸，模拟安全 壳的内部爆炸见图1。 60 本文利用LS-DYNA 软件，采用分离式模型建立钢筋混凝土安全壳的有限元模型。安 全壳的混凝土和钢筋都采用Lagrange 单元，空气和炸药采用Euler 单元能有效的克服单元 畸变引起的数值计算困难，能很好的模拟大变形的材料，炸药和空气采用多物质材料ALE 单元实现两种材料在单元之间流动， 进行物质交换和输运。通过 CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 关键字将空气单元和钢筋混凝土单元进行耦合， 65 实现流体和结构的耦合。采用近似于刚接的连接方式，避免在建立模型时，钢筋与混凝土节 点必须在相同位置所造成的麻烦。 由于结构的对称性，采用四分之一结构进行简化运算，这样大大降低有限元网格的数量， 减少计算时间。安全壳的混凝土结构、炸药、空气采用SOLID164 单元,钢筋采用BEAM161 单元建立有限元模型，如图2。 70 Fig.1 安全壳内部爆炸示意图 Fig.2 安全壳有限元模型 Fig.1 Schematic diagram of containment Fig.2 Finite element model of containment under internal blast loading 1.2 有限元模型 75 1.2.1 炸药 采用高能炸药爆轰材料模型模拟炸药的爆轰，其JWL 状态方程如式（1） 1 2 1 2 P A(1 )e RV B(1 )e R V E RV R V V = − ω − −+ − ω − +ω (1) 式中：A，B，R1，R2 和ω 为常数，由圆筒试验得到的。E 是单位质量的比内能，V= ρ 0/ρ 是相对体积， ρ 0 是炸药的初始密度[15][16][1]。 80 炸药的密度为1.63 g/cm3；爆速6.93 km/s；爆轰压力21.0 GPa；A，373.8 GPa；B，2.747 GPa；R1，4.15；R2，0.90；ω，0.35；E，4.29×106 J/kg。 1.2.2 空气 本文中空气的爆轰压力采用空材料（NULL）模型和（LINEAR_POLYNOMIAL ）线性 多方状态方程来描述： 2 3 2 0 1 2 3 4 5 6 0 P=C +Cμ+Cμ +Cμ +(C +Cμ+Cμ)E 85 (2) 式中E0 是初始能量密度，μ=ρ/ρ0-1，ρ是质量密度；Ci（i =1-6）是系数；描述空气时状 态方程可以简化为Gamma 定律，C0 = C1 = C2 = C3 = C6 = 0 和C4 = C5 = 0.4，E0 = 2.5×105 J/kg。 1.2.3 安全壳 安全壳的混凝土材料和钢筋材料都采用LS-DYNA 的3 号材料，即随动硬化塑性模型 90 （MAT_PLASTIC_KINEMATIC）来描述，钢筋的密度ρ = 7800 kg/cm3，屈服应力σ = 414MPa，杨氏模量E = 210 GPa，泊松比γ = 0.3，最大塑性应变ε= 0.12。混凝土材料的密 度ρ = 2320 kg/cm3，杨氏模量E = 8.2 GPa，泊松比γ = 0.3，屈服应力σ = 100MPa，切线模 量G = 4GPa，硬化参数β=0.5，失效应变ε= 0.8。 1.3 荷载工况和边界条件 95 爆炸点居于安全壳的内部中心，悬浮于底板的48 m 上方，如图2 所示。分别计算不同 比例距离下爆炸多安全壳的冲击响应, 比例距离Z = R/W1/3, R 为距爆炸源中心的距离，W 为 炸药的质量。爆炸相似率是由Hopkinson 在1915 年和Cranz 在1926 年分别独立提出的：两 个尺寸不同，但几何相似、装药成分相同的炸药，在同样的大气中爆炸时，在同样的比例距 离上产生自相似的爆炸波（冲击波）。即装药量为W1 的炸药在R1 处和装药量W2 在R2 处 100 产生相同的冲击波峰值压力满足R1/R2=(W1/W2)1/3。 由于结构的完全对称性，所以有限元模型采用对称边界条件。空气边界采用无反射边界 条件，安全壳的底部采用固定约束保证安全壳无刚体位移。 2 安全壳内部爆炸结果分析 利用ANSYS/LS-DYNA 建立安全壳的有限元模型，对不同的比例距离下安全壳的动力 105 响应进行了计算。下面是比例距离为0.778 m/kg1/3 工况下炸药爆炸的算例，计算结果如图3-8 所示。 2.1 爆炸流场冲击波演化过程 图3 表示了安全壳内部中心悬浮于底板上方20 m 处的炸药爆炸爆轰和冲击波的传播过 程。当炸药爆轰开始，炸药爆轰产生的空气冲击波近似以球形波的形式在安全壳内的空气中 110 向四周传播，由于安全壳的穹顶距离爆源最近，所以冲击波最先到达安全壳的穹顶壁面。冲 击波到达后与安全壳的内壁发生作用并发生反射，安全壳的穹顶受到爆炸冲击波强大的冲 击。之后，冲击波和安全壳的作用点随着时间的增加沿着安全壳的内壁逐渐向下移动，如图 3 的（b）（c）（d）所示。当冲击波到达安全壳的底部时，由于冲击波的反射使得冲击波 在安全壳的底部得到加强并向上传播，并且反射波想对称轴方向汇聚；进过多次反射和冲击 115 波与安全壳的作用，冲击波的能量逐渐减小，内壁的压力也不断衰减，如图(e)-(h)所示。 2.2 安全壳内壁的动力响应 由于爆炸冲击波对安全壳的作用，安全壳的混凝土结构的受力情况如图4 所示。由图4 图3 比例距离为0.778 m/kg1/3 下炸药爆炸流场示意图 120 Fig.3 pressure-time shock wave under scale distance of Z=0.778m/kg1/3 for a detonation of 20 m 可知，爆炸冲击最先到达安全壳的穹顶顶部，最大压力、主应力首先发生在此处；之后， 冲击波继续向安全壳的穹顶四周扩展，后续的冲击波陆续传播到达，由于冲击波的相互作用 并逐渐增强，结构的应力也逐渐加大。随着时间的推移，应力最大的位置也在不断变化，安 125 全壳的穹顶与筒体连接处出现应力集中的现象，这是由于连接处曲率半径不同造成的。冲击 传播过后的位置的荷载逐渐衰减。在t=0.015769s 时，安全壳的峰值压力达到最大为42.2MPa。 这是由于安全壳的筒体结构引起的冲击波的多次反射造成峰值压力加强，这与爆炸流场的变 化过程是一致的。由此可知，安全壳的穹顶和筒体的连接部位是薄弱环节，在实际的设计中 是需要加固的。之后，冲击波不断地向下传播，与安全壳的内壁相互作用，加之反射波的不 130 断形成，安全壳受到的冲击荷载不断加强，峰值压力随着时间的增加不断地衰减。由图4 学术论文网Tag：代写硕士论文 代写论文 代写MBA论文 代写博士论文 |
