超大型冷卻塔的地震反應(yīng)分析

徐榮彬

0 引言

超大型冷卻塔是核電廠中與核安全有關(guān)的重要物項，損壞后可能會直接或間接造成安全事故。隨著裝機(jī)容量的不斷增大，超大型冷卻塔的高度往往超過200 m，遠(yuǎn)大于GB/T 50102-2003工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范［1］中塔高165 m的限制。對于小型冷卻塔，地震作用效應(yīng)一般較小，可不予考慮;但是對于超大型冷卻塔，地震作用卻有可能成為控制荷載［2］。為保證結(jié)構(gòu)安全可靠，有必要對超大型冷卻塔進(jìn)行地震反應(yīng)分析。

超大型冷卻塔體量大，在進(jìn)行有限元分析時如果采用實體單元模擬，由于計算量太大可能導(dǎo)致無法正常運(yùn)算，而如果采用簡化方法進(jìn)行分析，則可能達(dá)不到所要求的精度。本文采用ABAQUS和ANSYS兩種軟件對某超大型冷卻塔進(jìn)行了有限元對比分析，然后采用ABAQUS軟件對其進(jìn)行了彈塑性時程分析，較好地平衡了精度和計算量兩方面的要求，獲得了比較準(zhǔn)確、合理的計算結(jié)果。

1 建模方法

本文研究的超大型冷卻塔為一座淋水面積為22 000 m2的逆流式自然通風(fēng)雙曲線冷卻塔，塔總高235 m，底面直徑182 m，塔殼頂部直徑為111．2 m，塔殼喉部高176．25 m，喉部直徑104．39 m，通風(fēng)筒殼體最小厚度為390 mm，最大厚度為2 000 mm，塔殼由60對人字形斜支柱支承，斜支柱直徑1 900 mm。

本文首先選用ANSYS和ABAQUS兩種軟件對該冷卻塔模型進(jìn)行模態(tài)分析和彈性時程分析，對比其分析結(jié)果。

建模時，ANSYS中塔筒采用Shell43模擬，該殼單元既具有彎曲能力，又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載，并可考慮剪切變形的影響，且計算效率較高。ABAQUS中塔筒采用S4R(4節(jié)點四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元)模擬，該單元性能穩(wěn)定，適用范圍廣，可用于多層復(fù)合材料的模擬，并可考慮剪切變形的影響，且計算效率較高。

ANSYS中支柱采用Beam189(3D線性/二次有限應(yīng)變梁單元)進(jìn)行模擬，該梁單元屬于Timoshenko梁，可以考慮剪切變形的影響。ABAQUS中支柱采用B31(2節(jié)點3D線性剪切應(yīng)變梁單元)，該類型梁單元為考慮剪切應(yīng)變的Timoshenko梁，既適用于模擬剪切變形起重要作用的深梁，也適用于模擬剪切變形不太重要的細(xì)長梁。

環(huán)板基礎(chǔ)采用實體單元來模擬。在ABAQUS軟件中采用C3D8R(8節(jié)點六面體線性減縮積分單元)單元模擬，該單元對位移的求解非常精確，在網(wǎng)格存在扭曲變形時，分析精度也不會受到太大的影響，彎曲荷載下不容易發(fā)生剪切自鎖，計算效率也比較高。ANSYS中采用Solid45實體單元來模擬環(huán)板基礎(chǔ)。

分析中殼單元與梁單元的連接在ABAQUS中采用動力耦合的方法(Kinematic Coupling)，耦合梁單元節(jié)點和塔殼上對應(yīng)于支柱面積區(qū)域內(nèi)的節(jié)點的全部自由度，實現(xiàn)兩者之間的連接。在ANSYS中可采用建立約束方程的方法、設(shè)置剛性區(qū)、MPC184剛性梁等方法實現(xiàn)兩者之間的連接，但考慮到人工編寫約束方程較為繁瑣，MPC184剛性梁方法易產(chǎn)生應(yīng)力集中，故本文采用CERIG自動建立約束方程的方法。

分析中梁單元與實體單元的連接在ABAQUS中也可采用動力耦合的方法，耦合梁單元節(jié)點和環(huán)板基礎(chǔ)上對應(yīng)于支墩底面積區(qū)域內(nèi)的節(jié)點的全部自由度。在ANSYS中同樣采用CERIG自動建立約束方程的方法實現(xiàn)梁單元和實體單元的連接。

圖1和圖2分別為采用ANSYS軟件和ABAQUS軟件所建立的超大型冷卻塔有限元分析模型。

圖1 ANSYS模型

圖2 ABAQUS模型

2 ANSYS和ABAQUS有限元分析結(jié)果對比

結(jié)構(gòu)的動力特性能夠反映結(jié)構(gòu)的整體特征。分別提取ANSYS和ABAQUS軟件的結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果進(jìn)行比較。表1列出了結(jié)構(gòu)的前10階周期，表1中的周期相對差為ANSYS的計算結(jié)果相對于ABAQUS結(jié)果的差別。從表1中可以看出，兩種軟件的分析結(jié)果非常吻合，ANSYS與 ABAQUS結(jié)果相差最大為2．466%。

表1 ANSYS和ABAQUS模型的計算周期比較

下面對采用ANSYS和ABAQUS軟件所獲得的冷卻塔彈性時程分析結(jié)果進(jìn)行比較。所采用的地震波為RG1．60波，峰值加速度為0．10g。ANSYS與ABAQUS計算獲得的柱上下端水平向相對位移時程如圖3所示。

圖3 柱上下端水平向相對位移時程對比

從圖3中可以看出，兩種軟件計算的柱上下端水平向位移時程吻合較好。

3 彈塑性時程分析

在上述ABAQUS有限元分析模型的基礎(chǔ)上，插入了鋼筋單元。冷卻塔塔殼的雙層雙向鋼筋通過在殼單元中插入Rebar Layer來進(jìn)行模擬，人字形支柱中的鋼筋通過在梁單元中插入Rebar纖維來進(jìn)行模擬，環(huán)板中的鋼筋通過建立面單元SFM3D4R來進(jìn)行模擬。

分析時，鋼筋采用理想彈塑性模型，根據(jù)實際選用的鋼筋種類確定鋼筋的屈服強(qiáng)度和彈性模量。塔殼和環(huán)板的混凝土材料，采用ABAQUS中的損傷塑性模型;而支柱混凝土，基于Yassin［3］提出的混凝土單軸滯回本構(gòu)模型，開發(fā)了自定義材料屬性的FORTRAN程序接口(UMAT)，然后嵌入到ABAQUS中?；炷羻屋S拉、壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》附錄C［4］提供的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系來確定。

采用ABAQUS有限元分析軟件對冷卻塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行安全地震動水平(0．10g)下的彈性時程分析和極限安全地震動水平(0．20g)下的彈塑性時程分析。分別輸入了RG1．60，AG，EL-CENTRO共三組三維地震波。

圖4為峰值加速度為0．20g的RG1．60地震波作用下，支柱X向位移最大時刻的冷卻塔X向位移云圖(位移放大比例系數(shù)為100)。

圖4 冷卻塔X向位移云圖

從圖4中可以清楚地看到，結(jié)構(gòu)的變形主要集中在支柱，由于慣性作用塔殼喉部和塔殼頂部的位移反而小于支柱頂部。

在0．20g的RG1．60地震波作用下，支柱的側(cè)移角達(dá)到了1/106。在峰值加速度為0．10g和0．20g的RG1．60，AG，EL-CENTRO 三組地震波作用下，支柱的平均側(cè)移角分別為1/568和1/225。

此外，通過模型的混凝土受拉損傷云圖和受壓損傷云圖可以看到，超大型冷卻塔的塔筒損傷主要發(fā)生在與柱相連的塔筒底部。

4 結(jié)語

本文采用ANSYS和ABAQUS兩種軟件對某超大型冷卻塔進(jìn)行了模態(tài)分析、彈性和彈塑性時程反應(yīng)分析，得到了以下結(jié)論:1)ANSYS和ABAQUS兩種軟件所獲得的模態(tài)分析、彈性時程反應(yīng)分析結(jié)果吻合良好;2)人字形柱—超大型冷卻塔結(jié)構(gòu)的薄弱部位一般位于人字形柱上下端以及與柱相連的塔筒底部。

［1］ GB/T 50102-2003，工業(yè)循環(huán)水冷卻設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］ 陳艷嬌．冷卻塔模型的抗震計算與試驗研究［D］．杭州:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008．

［3］ Yassin，M．H．M．Nonlinear analysis of prestressed concrete structures under monotonic and cyclic loads［D］．California:University of California．Berkeley，1994．

［4］ GB 50010-2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．