基于隨機(jī)有限元法的核電常規(guī)島在龍卷風(fēng)災(zāi)害下的風(fēng)險(xiǎn)性分析.pdf

1、隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)、建設(shè)發(fā)展對(duì)電力能源突飛猛進(jìn)的需要以及國(guó)家能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的迫切需求，一系列核電廠工程的建設(shè)被提上了日程。根據(jù)核安全導(dǎo)則的要求，核電廠在選址時(shí)必須對(duì)廠址周圍區(qū)域進(jìn)行極端自然災(zāi)害的危險(xiǎn)性評(píng)估，其中就包括龍卷風(fēng)災(zāi)害，因此對(duì)龍卷風(fēng)及其荷載進(jìn)行研究具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文針對(duì)目前對(duì)于龍卷風(fēng)的理論模型、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬都有了一定的進(jìn)展，但對(duì)于龍卷風(fēng)及其荷載隨機(jī)性的研究還處于起步階段這一現(xiàn)狀，發(fā)展了一套適用于核電常規(guī)島主廠

2、房的龍卷風(fēng)危險(xiǎn)性研究的分析方法:以龍卷風(fēng)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，推斷表征一個(gè)地區(qū)龍卷風(fēng)事件強(qiáng)度規(guī)律的最優(yōu)分布;根據(jù)龍卷風(fēng)風(fēng)速場(chǎng)及建筑物所受龍卷風(fēng)荷載的特點(diǎn)提出龍卷風(fēng)荷載強(qiáng)度隨機(jī)模型;采用蒙特卡洛模擬和隨機(jī)有限元方法分別對(duì)核電常規(guī)島主廠房遭受龍卷風(fēng)襲擊的危險(xiǎn)性及龍卷風(fēng)作用下常規(guī)島主廠房的可靠性進(jìn)行了評(píng)估;最后，基于生命周期成本理論對(duì)核電常規(guī)島主廠房在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的龍卷風(fēng)災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行了研究。
　　主要的研究工作如下:
　　(1)

3、根據(jù)世界多個(gè)地區(qū)的龍卷風(fēng)富士達(dá)等級(jí)觀測(cè)記錄和常用于極端氣象災(zāi)害研究的極值分布理論，確定了適用于局部地區(qū)龍卷風(fēng)災(zāi)害強(qiáng)度隨機(jī)性研究的最優(yōu)分布類型;將龍卷風(fēng)風(fēng)速場(chǎng)、建筑結(jié)構(gòu)龍卷風(fēng)荷載計(jì)算原理及龍卷風(fēng)強(qiáng)度隨機(jī)分布相結(jié)合，提出了封閉結(jié)構(gòu)遭受龍卷風(fēng)襲擊時(shí)的荷載強(qiáng)度隨機(jī)模型。研究工作將為核電常規(guī)島遭受龍卷風(fēng)襲擊的危險(xiǎn)性分析及龍卷風(fēng)作用下常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)體系可靠度研究打下基礎(chǔ)。
　　(2)將龍卷風(fēng)發(fā)生強(qiáng)度、龍卷風(fēng)起始位置和行進(jìn)方向等作為隨機(jī)信息，

4、并首次考慮龍卷風(fēng)在行進(jìn)時(shí)強(qiáng)度發(fā)生變化的修正富士達(dá)皮爾遜路徑尺寸標(biāo)度，將它們相結(jié)合建立了核電常規(guī)島主廠房遭受龍卷風(fēng)襲擊的隨機(jī)事件模擬方法，采用蒙特卡洛模擬計(jì)算了常規(guī)島主廠房遭受龍卷風(fēng)襲擊的概率，并研究了各隨機(jī)項(xiàng)選取不同的分布類型和參數(shù)對(duì)廠房遇襲概率計(jì)算結(jié)果的影響。
　　(3)通過流體動(dòng)力學(xué)方法模擬出的常規(guī)島主廠房表面風(fēng)壓系數(shù)，結(jié)合三維龍卷風(fēng)風(fēng)速場(chǎng)模型和龍卷風(fēng)強(qiáng)度隨機(jī)分布計(jì)算出廠房所受考慮強(qiáng)度隨機(jī)性的龍卷風(fēng)荷載;鑒于該隨機(jī)荷載為非高斯

5、、非典型分布且變異性很大，由混沌多項(xiàng)式展開對(duì)其隨機(jī)性進(jìn)行表達(dá);考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)和龍卷風(fēng)荷載的隨機(jī)性，采用譜隨機(jī)有限元法，分別對(duì)常規(guī)島主廠房在龍卷風(fēng)荷載不利工況下的靜、動(dòng)力隨機(jī)響應(yīng)進(jìn)行了分析，并基于分析結(jié)果對(duì)龍卷風(fēng)作用下主廠房結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變化情況和結(jié)構(gòu)體系可靠度作出評(píng)價(jià)。
　　(4)針對(duì)龍卷風(fēng)荷載有時(shí)很強(qiáng)，廠房結(jié)構(gòu)有相當(dāng)大的概率進(jìn)入塑形工作階段而譜隨機(jī)有限元法難以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)非線性隨機(jī)分析的困難，采用有限元軟件ANSYS內(nèi)置的APDL語言編

6、制了基于馬爾可夫鏈——蒙特卡洛抽樣理論的子集模擬法計(jì)算程序，對(duì)龍卷風(fēng)作用下常規(guī)島主廠房模型進(jìn)行彈塑性動(dòng)力可靠度分析，并將結(jié)果與譜隨機(jī)有限元法的分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
　　(5)將考慮服役環(huán)境、材料因素和使用年限的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件腐蝕深度模型與結(jié)構(gòu)有限元推覆分析相結(jié)合，計(jì)算得到了常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的側(cè)向抗力衰減曲線;采用馬爾可夫隨機(jī)過程對(duì)主廠房結(jié)構(gòu)在幾十年服役期內(nèi)所處的抗力狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè);由譜隨機(jī)有限元法分別計(jì)算了處于不同抗力狀