AP1000贮水箱的晃动与减振研究

摘要：AP1000是西屋电气公司利用被动的特点开发的一种先进的第三代核电标准设计设备（NPP）。储水箱在AP1000冷却核电站内部的温度中起着重要的作用。然而，当结构在地震作用下时，水箱的水的晃动可能会显着影响核电站的抗震性能。本研究的目的是研究流体结构相互作用的影响（FSI）下水箱和水的动态行为在降低保护建筑结构的地震反应晃动的作用。为了达到这个目的，一个有限元技术FSI算法被运用到AP1000水储罐的抗震分析中。为了评价的FSI在减少地震反应过程中的积极作用，我们研究了六个装有水的水箱，并与空箱体进行了对比。任意拉格朗日-欧拉（ALE）算法被用来模拟地震发生下核电站水箱内液体晃动和水箱振动。此外，从模拟获得不同的水和振荡频率的高度参数，与地震响应和流体表面的比较。结果清楚地表明，水位高度对核电站（NPP）的动态响应的重要影响，但案例3的水位能有效地减轻地震反应和晃动的结构振动，从而提高今后AP1000或CAP1400抗震性能设计。

1、简介

AP1000系统作为一个第三代 核电站（NPP）已经被美国获得最终批准。NRC在2002年建立在Sanmen 和Haiyang（zhao、chen，2014）。AP1000，一系列的被动安全机制最显著的特征是依靠冗余/故障安全值，重力，自然循环和压缩气体去冷却屏蔽厂房的温度。当核反应堆关闭时，AP1000重力排水水箱屏蔽建筑物通过喷雾水去冷却反应堆。水的晃动会影响屏蔽建筑的动态特性就像大型储水箱受地震作用一样(Zhao et al.,2012; Zhao and Chen, 2013a,b)。

在过去，关于水箱晃动的话题，已经有大量的研究做了关于动态响应下的水晃动的影响。然而，这些研究大多集中在圆柱形和矩形槽的动态响应。例如，对于aacute;费尔南德斯巴里奥斯等人（2007）开发了一种分析圆柱形储罐的非线性水动力影响会计的地震反应的数值方法。nicolici和bilegan（2013）通过有限元应力分析关注晃动现象和耦合计算流体动力学分析。固定顶部节点的顶部、节点的固有频率，地面支持和储液罐的影响因素已被Amiri和Sabbagh-Yazdi (2012)研究出来。Maleki和Ziyaeifar（2008）用拉普拉斯微分方程解去估计水平激励下折流板中液体晃动的水动力阻尼比。Sezen et al(2008)采用简化和有限元动力分析，研究地震对水箱行为的性能和参数的动态影响。Pal和Bhattacharyya（2010）采用无网格局部Petrov–Galerkin法计算二维刚性棱柱形罐的液体的非线性晃动响应。Liu and Lin (2009), Xue and Lin (2011) and Jung et al. (2012)提出了一种可用于研究水平和垂直挡板的罐内三维液体晃动的数值模型。液舱三维晃动现象的数值模拟。Lee et al. (2007), Kim et al. (2007) and Wu et al. (2012) 用时域仿真方法研究了船舶运动与内舱晃动的耦合与相互作用。

以往的工作主要集中在航空航天、民用、汽车工业液体储罐遭受地震或冲击载荷作用下的流体晃动和阻尼效应。然而，很少有研究调查是否会影响水晃荡的AP1000的地震强震下的响应在过去。

本文主要对水箱的流固耦合效应，和液体晃动和储水箱振动对屏蔽建筑物受到人为的加速度时间历程的地震反应的影响。显式有限元软件LS-DYNA，能够处理水储罐响应和耦合影响的所有相关的复杂性，用于构建各种水位保护建筑和抗震性能评估和液体的AP1000重力储罐晃动。此外，研究了水舱高度对水舱内液体晃动现象的影响，并对降低地震响应的结构在地震作用下的最佳选择进行了评价。在下面，任意拉格朗日-欧拉（ALE）的方法被引入在第2节。第3节介绍了屏蔽模型的材料模型和有限元模型。在4节中，来说明的影响的水晃动的动态响应的屏蔽层，六个案件的水位进行调查和讨论。最后，在第5节总结了一些结论。

2. FSI和ALE法

对于流固耦合问题，结构和流体材料必须分为不同的网格，由于这些不同的材料特性。在一般情况下，拉格朗日方法是用来模拟的结构的一部分，和网格模式的位移与材料的运动是一致的。拉格朗日方法也用于流体分析的一种有效方法，以及结构与流体之间的耦合进行了接触算法的流体被称为从动装置的一部分。当流体发生大变形时，在分析中要花费大量的时间来终止。然而，ALE算法可以很容易地处理大变形问题的产生为流体区域的一个新的无畸变的网格，它是更适当的解决流固耦合问题和非线性问题的持续时间短。

显式非线性动力学软件LS-DYNA应用ALE配方具有很强的能力处理流固耦合和水的晃动问题。含有拉格朗日和欧拉公式的麦芽汁算法。在拉格朗日描述网格移动的材料时，它可以很容易地捕捉材料的表面和边界条件。在欧拉方法，网格是固定的，当永不改变的材料穿过网时，表面和网格边界条件难以道（利弗莫尔软件技术公司（2012））。ALE方法假定的网格运动是独立的，被分析的材料的运动。虽然网格的运动可以是任意的，它通常发生在附近的拉格朗日流场的材料。ALE方法的最大优点是它允许平滑的网格畸变不执行完整的网格重划分。这使得在使用拉格朗日方法时材料的表面没有遇到自动跟踪滤波 (Souliet al., 2000)。

3.材料模型

核岛是核电站的主要组成部分，由钢制安全壳、辅助建筑及屏蔽建筑物组成。被动安全壳冷却系统（PCS）是一个AP1000的最重要的优点，它由自然对流的空气排出，形成的重力排水槽、外冷却进气口，空气挡板和钢制安全壳组成。本文分析的几何和电脑和AP1000屏蔽建筑工作原理如图1所示(Zhao and Chen,2014)

3.1有限元模型

有限元法已成为一个结构设计过程的有力手段，以及在流固耦合问题和动态的调查分析。在目前的研究中，与水箱和PCS系统屏蔽建立数值模型建立程序LS-DYNA显式非线性动力学研究液体晃动和振动减小地震反应。为了评价不同水深对水箱的动态响应，建立了不同水位下盾构的三维有限元模型，并对其进行了精确的计算。

这是表面上的，真正的结构配置和AP1000屏蔽建筑内部分布不均匀。该安全壳内部结构包括主屏蔽壁、反应腔、二次屏蔽墙、在安全壳内加油水箱、加油孔壁、作业层、中间层和各种平台。纵向和横向的容器和内部结构的荷载通过剪力钉，摩擦转移到底板下面的容器，和轴承。由于盾构建筑的质量和体积都非常大，因此，相对于盾构的建筑结构，内部构件的质量非常小，因此，内部构件的重心位置对结构的动力响应影响不大。因此，我们忽略了内部构件的重心的影响，并在本文中考虑了盾构的有限元模型。

盾构法建立的有限元模型包括钢壳容器、进气、排水管等。在有限元模型中，由于反应器内部结构、管网系统、边界条件和计算机的局限性以及计算机存储空间的限制，严重难以模拟一次完全组装的堆内构件的有限元模型(Zhao and Chen, 2013b)。因此，堆内构件、管道和网络系统建模的质量和壳单元根据其复杂的形状和安排。采用壳单元和实体单元对盾构的建筑和水进行建模分析。

钢筋混凝土的弥散、装配和离散模型常被用来研究钢筋混凝土结构的特性。将模型作为计算单元，计算量小、精度高的优点，通常用于模拟复杂的钢筋混凝土结构。因此，弥散模型采用钢筋混凝土是因为该分析及配筋AP1000分布复杂。在钢筋混凝土的弥散模型中，由于钢筋在混凝土构件中的均匀强化，被认为是连续均匀的材料。钢筋混凝土构件的刚度矩阵是钢和混凝土的刚度矩阵，钢筋被认为是等效的混凝土材料，钢的数量可以通过增强的比例(Zhao et al., 2014)。

4.结论和讨论

4.1 地震分析

在本研究中，建立了六个盾构法建筑的水位情况，并考虑了空气高度、高度、比、质量比等参数对储罐动力响应的影响。这是众所周知的，固有的阻尼的材料，极大地影响了动态分析的结果。因此，建筑物和水的阻尼值的假设5%和0.5%基于NPP中国阻尼的设计（2007）和欧洲法规8（1998）。

一个三个方向的人工加速度时程（ATH）记录进行动态分析。对于抗震分析输入ATH与RG1.60谱兼容，它代表ATH从坚硬岩石嵌入一个SSE(Commission, 2007)。南北和东部的水平地震，峰值加速度为0.3g和0.2g的垂直地震，如图7所示。一个垂直加速度场的1g是用来给静水压力的水。图8显示了响应谱和本文采用的ATH频率特性。

4.2 h₂对最大加速度响应的影响

众所周知，流体和结构的流固耦合效应的强烈影响的动态响应的结构在地震作用下。水的晃动和AP1000系统水箱振荡动力学特性也影响盾构建筑特点，因此，水晃动的影响机理有待深入研究。

图9和表5显示了随着高度的增加，盾建筑的峰值加速度响应。6.8，4.8，7.8，8.8，9.8和10.8米的六个不同的高度，在本文中考虑的。从图9中，在P1的最大加速度响应，P2和P3水平X、Z和Y方向垂直与水高度的增加变化，但变化的趋势是不同的。很明显，峰值加速度

反应在P1是由水的高度在P2和P3的显著影响。在P1加速度的趋势突然增加了4.8–6.8米垂直Y方向水高度阶段而在P2和P3加速度的变化很小。随高度的增加，不同点的加速度响应的变化趋势随高度的增加而减小,在X和Z方向的一个整体，但在P1加速度值大于P2和P3在某种程度上。在P1水平Z方向增加4.8–6.8 m相加速度的最大值，并减少6.8–8.8 M期，再增加8.8–9.8米降低9.8期–10.8米中。比较不同的加速度响应,在不同的方向上不同点，很显然这是一个高8.8米的最好观察水位，具有最小的峰值加速度响应时，屏蔽建筑物受到ATH激励。

不同测量位置加速度响应变化的主要原因可能是非线性行为的影响，水和水箱之间的相互作用，不规则的几何形状。不同水位的振荡频率是不同的，并与结构的振动频率有关系。水动力三方向地震输入下水箱的阻尼特性和水动力特性是造成这些现象的原因。

4.3水晃动对地震反应的影响

表5显示的峰值加速度响应的变化不同的参考选择六例水盾建筑分时结构的地震作用下核电站一定。图10显示了最大加速度响应的比较和水舱与部分水和不含水量的影响，减少了因流体晃动或振动引起的地震反应。如图10所示，有部分水和没有水的情况下，有固体和虚线表示，和相同的彩色线显示的值的地震反应相同的测量点的盾构，例如，红色线表示P1的加速度值，蓝线代表值P2和P3的值用粉红线表示。

从图中可以清楚地看到，在地震荷载作用下，没有所有的水位都可以减少地震荷载作用下的建筑物的地震反应。水舱的峰值加速度为8.8，9.8米的峰值小于水平times;、z方向和垂直方向的水位。因此，这种高度的水是在特定的地震荷载下的NPP降低地震加速度为选择最好的选择。

最后，在水平和垂直方向的加速度响应的结果的基础上，可以表示，最好的水的高度是8.8米，对应的最小值的加速度。这可能是由于地震激励下的不规则形状的液体晃动的流体的压力和阻尼的原因。此外，该水位的振荡频率可能更接近于屏蔽层的振动频率。

4.4 不同水位下的楼层加速度反应谱

变换得到的建筑物的楼层反应谱，得到了由傅立叶变换来估算水晃动对结构动力响应的影响。在P1楼层反应谱进行结构体系的最大响应的屏蔽厂房的频率或周期函数。楼层反应谱可以通过积分得到的加速度响应在P1通过傅里叶积分，然后最高楼层加速度响应值的频率值设置。

图11表明了不同水位的选择参考点P1在水平方向计算楼面反应谱计算结果。在分析中，数值模型都没有考虑对称，大小和输入加速度时程在水平X、Z方向相同，所以水平x方向在P1楼层反应谱几乎相同水平Z方向。可以注意到

图，这些值的楼层反应谱的情况下，4至6的情况下是大于1的情况下，3。它可以从数字，这些楼层反应谱同时1案例3的差异是非常小的，这些标准是更接近的值。

此外，这些结果强调了前三个水位的情况下有明显的积极影响，减轻地震加速度的传播与最后三个水位相比。因此，得出的结论是，该案例2是最有效的水位降低地震加速度比较与其他情况下，当盾构建筑受到地震荷载。水位3在水平方向和方向的加速度值在水位6的情况下，降低近50.7%。

最后，它显著突出，水位2关于其他水位降低屏蔽建筑物地震加速度时最好选择当结构受核电厂地震荷载。水舱内的水舱结构相互作用、水箱内的不规则形状、地震波的传播和地震波的传播可能是造成这些现象的主要原因，地震荷载作用下的水动力压力和阻尼器的变化趋势有其他原因。

4.5 水箱振动频率变化的晃动响应

这是众所周知的，在外部激励下的振动频率的水箱，水的晃动和振荡是关联的。因此，本节研究了水箱振动频率对盾构的动态响应的影响。首先，计算了水的深度变化引起的振荡频率，研究了振荡频率对盾构响应的影响。水槽的振动频率是用各种水位计算的盾构的整体结构，通过傅立叶函数的振动响应计算。在图12中绘制了不同点的最大加速度随频率变化的变化。观察到不同方向的最大加速度随频率的增加发生变化。在3.1–3.2第一阶段水平x方向的加速度响应降低P1然后随振荡频率的增加频率的其他阶段。而先减小垂直Y方向点P1的最大加速度，其次增加，最后随振荡频率的增加。在P1水平方向加速度的变化很小，对其他方向相关。

在P2和P3加速度的变化趋势也随水箱振荡频率增加时受到三个方向的地震波输入，趋势不同于P1，但他们都有一些特定的相位频率最低值在。最后发现，最大加速度响应是最小的频率为3.2赫兹和0.9的频率比（振荡频率/屏蔽的频率）。这可能是由于复杂的和不规则的形状的水箱。在特定的振荡频率，水舱的水动力阻尼和水动力的压力是非常大的，所以能量的地震激发大多是在这个阶段。因此，在振荡频率为3.2赫兹的水和加速度的晃动是最小的。

4.6 h₂和h₂/H对最大位移响应

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