砂土动力本构模型及核电站取水结构抗震性能研究

摘要

尽管我国是一个地震频发的国家，但面对日益加剧的能源紧缺和匮乏问题，政府不得不支持和发展核电来解决这一供求矛盾。由于核电站发生事故会引起灾难性的后果，所以保证核电站运行的安全稳定极其重要，特别是在强震作用下，土层液化将会引起核电站建筑物发生严重破坏。为了建立合适的砂土动力本构模型，并分析强震作用下可液化场地核电站结构的动力响应，本文提出了新的三维多重机构边界面模型，并利用Opensees软件对可液化场地核电站取水结构的抗震性能进行了研究，具体的研究工作和研究成果如下:
　　(1)以土的临界状态和边界面塑性理论为基础，引入状态参数，考虑砂土的剪胀特性，提出一个新型三维多重机构边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机构和一系列空间分布的虚拟一维微观剪切机构。每个微观剪切机构包含一个微观剪应力-应变关系和一个微观应力-剪胀关系。利用三轴压缩试验应力条件，建立典型宏微观参数之间的关系。模型包含12个参数，多数可用具有明确物理意义的土性参数来确定。通过对砂土三轴压缩试验、空心圆柱剪切试验以及三轴循环扭转试验结果的数值模拟，表明模型不但能够合理反映在排水或不排水条件下砂土的硬化及软化特性，而且能在不增加任何参数条件下预测应力主轴旋转产生的变形累积特性和应变增量主轴与应力主轴之间的非共轴特性，以及循环加载条件下的砂土应力路径和剪应力-应变关系。
　　(2)基于Opensees建立了取水结构-地基土体的二维平面有限元模型，在考虑场地地基土体可能发生液化的前提下，输入地震波，研究取水结构和地基土体发生的地震动力响应特性。结果分析表明，在地震期间取水结构和地基土体都产生了一定的非线性变形，其中地基土体产生了较大的剪切变形，取水结构两侧侧壁与底板相交处的内力较大，为工程安全不利部位。经过校核发现，砂土层失去抗剪能力且发生大面积液化。但取水结构的变形和抗剪承载能力仍能满足抗震设计规范的安全要求。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 本文的主要工作

2 本构理论研究和抗震分析方法综述

2．1 本构理论研究综述

2．1．1 本构模型发展概述

2．1．2 本构理论研究难点

2．2 抗震分析方法综述

2．3 本章小结

3 砂土三维多重机构边界面本构模型

3．1 多重机构模型推导

3．1．1 多重机构理论框架

3．1．2 宏观边界面和微观边界线

3．1．3 微观体应变-应力关系

3．1．4 微观剪应变-应力关系

3．1．5 微观剪胀方程

3．1．6 宏观应力-应变刚度矩阵

3．2 参数选取及确定

3．2．1 宏观模量参数

3．2．2 微观模量参数

3．4 数值模拟验证

3．4．1 不排水三轴压缩试验

3．4．2 排水三轴压缩试验

3．4．3 应力主轴旋转试验

3．4．4 不排水三轴循环扭转试验

3．5 本章小结

4 可液化场地核电站取水结构抗震性能研究

4．1 OpenSees软件简介

4．2 取水结构概况

4．3 有限元模型的建立

4．4．1 模型单元及节点

4．4．2 材料模型参数

4．4．3 截面纤维划分

4．4．4 结构质量矩阵

4．4．5 结构竖向荷载

4．4．6 结构阻尼矩阵

4．4．7 输入地震波

4．5 结构地震反应分析

4．5．1 地基土体地震反应

4．5．2 取水结构地震反应

4．6 取水结构抗震性能评估

4．6．1 变形性能评估

4．6．2 抗剪承载能力评估

4．7 本章小结

5 总结与展望

5．1 主要结论

5．2 未来的工作建议与展望

参考文献

作者简历