核工程贮液容器的工程抗震计算

0　引言

在核工程中,贮液容器是一类比较特殊的设备。 在结构设计中,除了考虑静液压力对结构的作用外,还 必须考虑地震时液体所产生的晃动和冲击效应。[1-3] 结构的力学计算已经有较为成熟的方法。而对 于结构-液体耦合振动问题,目前还没有成熟的方 法。以往的研究方法通常是进行理论分析,这需要 对实际问题进行很大的简化,才能得到有限的计算 结果。但在工程设计中,设计者要求详细了解结构 的应力分布,因而这种分析常常无法满足工程要求。 近年来,采用有限元技术进行结构力学计算已 非常普遍。一些通用的有限元软件也提供了求解流 固耦合问题的功能,但这些软件通常都是用于结构 计算的,流固耦合计算的能力并不强,尤其是在液体 存在较大的自由表面时,不能很好地反映动液压力 的分布。

本文将以10MW高温气冷堆(HTR-10)消防蓄 水池的抗震计算为例,介绍几种针对贮液容器的工 程抗震计算办法。

1　HTR-10消防蓄水池的结构及抗震计算要求

HTR-10消防蓄水池的外形为圆柱形,如图1 所示。由内层的钢筋混凝土池壁及顶盖、外层的砖 围墙组成,水池内径为15.75m,高为4m,在水池中 有9根钢筋混凝土支柱,起到支承顶盖的作用。它 在平时储存有大量的消防用水。 为了进行合理的结构设计, 设计者要求详细了解地震时水池 侧壁、支柱及顶盖的受力状况。 显然对此问题进行理论分析将十 分困难,且难以得出满足设计者 要求的计算结果。必须设法找到一些工程性的抗震 计算办法,综合考虑结构自身的动力响应和动液压力 的分布,才能获得足够详细的计算结果。

2　贮液容器的工程抗震计算

贮液容器工程抗震计算的思想是回避从理论角 度来研究流固耦合的振动问题,并借助通用有限元 软件建立结构的有限元模型,对于动液压力,则根据 规范规定或理论分析简化成结构上的压力分布,进 而进行结构的力学计算。

图2为HTR-10蓄水池的有限元模型,该模型包 含了水池的池壁、顶盖(用壳单元模拟)及支柱(用梁 单元模拟,图中未显示出来),而不包含水池中的水。 以下介绍几种工程抗震计算方法。

2.1　按构筑物抗震规范计算

对于不属于I类或II类抗震设备的物项,可按非 核用设备的常规做法进行抗震计算。此处介绍国标 《构筑物抗震设计规范》中对“浓缩池”的抗震计算方 法[4]。浓缩池的结构形式类似于蓄水池,只是没有顶 盖。这种算法是一种等效静力方法,它将水平地震所 产生的效应分成池壁重力产生的水平地震力、池壁上 的动水压力及池壁上的动土压力三部分。“浓缩池” 没有顶盖,可将顶盖重力等效到池壁上,按池壁的算 法计算其产生的水平地震力。具体的计算公式见表 1。图3给出了各个载荷在池壁的分布情况。 表1中,αmax为水平地震影响系数的最大值; GGeq和GLeq分别为池壁单位宽度上的等效池壁重力 载荷和等效顶盖重力载荷;η1为地震影响系数的调 整系数;η2为动液压力的池型调整系数;γ0和γs分 别为贮液的重度和土的重度。各系数的具体取值可 参见文献[4]。