英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
柱子失效引起的钢筋混凝土
超大型冷却塔倒塌过程分析
Xiang-Lin Gu, A.M.ASCE1; Qian-Qian Yu, A.M.ASCE2; Yi Li3; and Feng Lin4
摘要：本文对钢筋混凝土超大型冷却塔柱失效引起的倒塌行为进行了数值模拟和理论分析。 有限元模型首先通过1/100比例超大型冷却塔的崩塌实验进行验证，然后用于研究原型塔的塌陷过程。 提出了一种简化的机械方法来分析由于不同数量柱的失效引起的原型塔的崩塌模式。 结果表明，柱子失效引起的冷却塔塌陷过程可被视为非固定轴旋转问题。 崩塌模式取决于失效柱的数量，这可以通过比较其他柱的抗弯承载力，竖向承载力和水平承载力以及翻转力矩，垂直压力和水平推力分别进行进一步解释。 DOI： 10.1061 /（ASCE）CF.1943-5509.0001023。 copy;2017美国土木工程师学会。
作者关键词：数值模拟; 超大型冷却塔; 机械方法; 崩塌模式。
介绍
中国内陆核电站正在设计和建造的超大型冷却塔现已达到200多米高，最大重量超过10万吨。 它们的底部直径超过180米，而壳体结构的最小厚度仅为300-400毫米。 由于冷却塔非常靠近核岛，意外行动下的崩塌会产生地面震动，这不仅会影响核设施的运行安全，还会引发核灾难（Lin et al。2013,2014）。
关于冷却塔倒塌机理的研究可以追溯到1965年11月费里布里奇发电站三座冷却塔倒塌的调查（CEGB 1966）。 从那以后，对冷却塔进行了广泛的研究，特别是塔面风压性质和风致响应领域（(Niemann and Prouml;pper 1975; Busch et al. 2002）。 还研究了地震多发国家遭受强震地震的冷却塔的抗倒塌行为（Sabouri-Ghomi et al. 2006; Wolf and Skrikerud 1980）。
随着冷却塔尺寸的增加，超大型冷却塔在核电站中遭受意外载荷的崩溃可能性也增加。 然而，对于意外载荷下超大型冷却塔的崩塌模式和崩塌机理分析的研究相对还比较有限。
尽管有许多种引起冷却塔倒塌的意外载荷，例如恐怖爆炸和不均匀的地基沉降，但它们的影响可被视为冷却塔立柱的损坏。 当失效的柱子达到阈值时，由于失去支持，外壳结构将崩塌。通过使某些柱失效来分析冷却塔的意外载荷引起的损伤，剩余结构的反应，崩溃模式和崩溃机理的方法类似于逐步崩溃分析中广泛采用的替代载荷路径方法并得到了广泛的应用。（Department of Defense 2009; General Services Administration 2003; Helmy et al. 2013）。
目前，实验研究（Lew et al. 2014; Song and Sezen 2013; Jennings et al. 2015)，理论分析（Liu 2010;Bažantand Zhou 2002）和数值模拟（Gu et al。2014; Li et al。2014 ; Bandyopadhyay等，2015）被用于意外载荷下建筑结构的连续倒塌分析。 Ellingwood（2006）提出了一个考虑建筑结构低概率，高后果事件风险的框架，并提出了渐进式崩溃风险缓解策略。 在Baker等人（2008年），采用稳健性指数建立了评估遭受结构破坏的系统的框架。 提出了一组例子来说明使用这种方法的可行性。Brunesi等人（2015）和Parisi（2015）评估了欧洲钢筋混凝土柱在极端荷载作用下的脆弱性。 关于冷却塔，由于其工业性质，大多数以前的研究主要集中在爆破拆除后的崩塌行为的数值模拟（Sun et al. 2009; Ye and Yan 2010）。 很少有研究报道由柱失效引起的塌陷分析。 本文根据有限元法和理论分析，对235米高的自然通风冷却塔进行了分析。 数值模拟与冷却塔模型的崩溃测试进行比较，该模型由一半柱子的失效引发。 与测试数据很好的一致性表明，数字分析对于估算强化混凝土超大型冷却塔的倒塌行为是可靠的。 之后，对原型塔进行塌陷过程分析。 考虑到易用性，还提出了基于塌陷过程的机械方法。 讨论了冷却塔的崩溃模式和机理。 本文提出的研究将有助于阐明由柱失效引起的冷却塔的崩溃模式和机理，并将为冷却塔的防灾设计提供依据。
数值模拟与验证
有限元模型
图1显示了235米高自然通风冷却塔的三维有限元模型。 其数值模拟与越等人报道的相似。（2016）。 壳结构通过使用四节点壳SHELL 163单元来建模，该单元能够应用面内和正常荷载。 该塔按高度分成171层，每层沿圆周包含540个单元。 壳单元的最大网孔尺寸为0.98times;1.31m，壳结构的单元总数为92,340个。 通过改变壳单元的厚度来模拟壳结构厚度的变化。 每个壳单元在厚度方向上被分成15层。 每层都分别分配了某些材料（例如，混凝土，经向或环向钢筋）。 柱中的混凝土和钢筋分别由八节点六面体单元SOLID164和梁单元BEAM161建模，并且它们在界面处共享节点，以便不考虑它们之间的滑动。 该模型总共有136,500个单元。
根据冷却塔的设计图，混凝土的立方体抗压强度为35 MPa，钢筋屈服强度为400 MPa。 在LS-DYNA中使用关键字为* MAT_CONCRETE_EC2的材料模型对层状壳单元中的钢筋和混凝土建模（Hallquist 2012）。 这个模型可以用来通过不同的选项来表示混凝土，经向或环向钢筋。 本质关系是能够模拟混凝土压缩时的拉伸和压碎裂缝，以及钢筋后的屈服，硬化和破坏[欧洲规范2（欧洲标准化委员会2004）]。 由于该模型仅适用于壳单元，因此选择具有* MAT_CSCM_CONCRETE和* MAT_PLASTIC_KINEMATIC关键字的材料模型分别定义柱中的混凝土和钢筋（Hallquist 2012）。 MAT_CSCM_CONCRETE是一个连续的表面覆盖模型，它通过一个光滑的表面将剪切屈服表面与硬化表面连接起来，以描述柱中混凝土的屈服和破坏准则。 它将混凝土的硬化，损伤和速率相关性考虑在内，并在工程分析中得到广泛应用。 MAT_PLASTIC_KINEMATIC是一个塑性模型，可用不同选项模拟各向同性，运动学和混合硬化的情况。 同样的模型也可以用来研究应变速率对钢筋材料性能的影响。 应变速率通过使用Cowper-Symonds模型进行评估，并考虑在本研究的数值模拟中（Hallquist 2012）。
数值模拟的验证
在按比例缩小的冷却塔模型上进行了崩塌测试来验证数值模拟。 这一崩塌是由一半柱失效引起的。测试期间使用了非接触式高速摄影测量技术（Liu等人2015）。
按比例缩小的超大型冷却塔
根据同济大学的工作性能和现场条件，尺寸Sl的比例选择为1/100。 原型外壳结构的最小厚度为390毫米，其相应的缩放尺寸仅为4毫米。 因此，壳体结构的厚度放大了两倍，而在施工过程中钢筋的量保持不变。 尽管通过增加壳体厚度可以改变塔架模型的力学行为，但为了验证数值方法，考虑到施工的便利性，增加壳体厚度是一种好方法。 模型的其他维度都是基于Sl确定的。 原型和缩放塔的尺寸和增强都在图2中给出。 2 和表 1。 根据实验室条件将弹性模量SE的比例因子设定为0.3。 考虑自重对倒塌过程的影响，加速度Sa的比例因子被确定为1以消除重力变形的影响。 其他物理参数的缩放因子通过表1中柱出的相似性理论计算（Zhang 1997） 2。 由于质量密度Srho;的比例因子等于30，额外的重量块被对称地悬挂在位于壳体结构内部和外部的螺钉上。 质量分布随壳体结构的直径和厚度而变化，通过在每个高度处周向改变块体的数量和重量来实现。
原型塔采用C35级混凝土和HRB400钢筋。 由于混合砂浆和镀锌铁丝的力学性能分别与混凝土和钢筋相似，选用M15级砂浆（水泥：砂：石灰：水= 1：2.5：0.5：0.7）和镀锌铁丝建立缩放冷却塔。 根据中国标准JGJ / T 70-2009（MOHURD 2009），测试的砂浆的立方压缩强度和弹性模量分别为11.2和10,125 MPa，满足表中柱出的相似性要求 2。 选择18＃和20＃铁丝以反映壳结构的增强变化。 根据中国标准GB / T228.1-2010（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局2010）对其相应的材料性能进行测试，所用材料的详细资料见表 3.
测试体系和数据采集系统
忽略可能导致柱失效的不同形式的偶然载荷，将具有一半柱失效的冷却塔设定为初始状态，并且研究在重力作用下模型的塌缩过程和响应。 测试设置如图3所示。其中两个基座A和B，高度为0.3米，用于模拟地面。 在测试之前，冷却塔由位于基座A上的60个立柱和支撑装置支撑。 支撑装置将向下移动180 mm（立柱高度）以模拟开始测试后立柱的失效。 此时，支撑平台顶面的高度与底座A和底座B的高度相同。之后，由于支撑失效，冷却塔坍塌。
实验采用高速摄影测量技术，如图4所示。（Liu等人，2015）。 跟踪点位于塔的表面，如图5所示。其中X1和Y1用于测量支撑平面的运动。
数值和实验结果的比较
标定冷却塔的有限元建模基于试件的尺寸，壳单元的最大网孔尺寸为0.0098times;0.0131米。 根据试验结果采用砂浆和铁丝的力学性能。
1. 塌陷过程：在实验研究中，塌陷过程持续了0.376秒。 接通支撑装置后，平面向下移动，半壳结构失去支撑。 壳体在重力作用下变成斜的，并围绕壳体底部的中心旋转。 图6所示的预测崩溃过程与测试现象之间的比较表明，达成了很好的一致性。
2. 局部损伤：图。 图7（a-e）显示在塌陷过程中，壳体上部和接近破坏区域的柱发生严重变形。 据观察，对于冷却塔的变形和破坏存在一个对称平面，冷却塔通过塔的圆心并与塌缩方向平行。 圆形壳体结构变形为椭圆形，其中纵轴平行于塌缩方向。 纵轴两端出现垂直裂纹，即壳体上部与对称平面相交。 之后，在壳体撞击地面后，在塔的正面的这些裂缝下面出现V形裂缝[图。 7（a和b）]。 靠近破坏区的柱体在压缩和弯曲时失败，而对于远处的柱体没有发现明显的破坏。 图7（d）]。图7（f-j）描绘了从数值模拟中提取的结果，其与测试结果很好地进行了比较。
3. 位移时程曲线：根据高速摄影测量技术记录的坐标，获得所有跟踪点的位移，速度和加速度。 将塌陷方向定义为x轴的正方向，将从塔底到塔顶的高度方向定义为z轴的正方向（图4）。 图8中的位移时程曲线表明，数值结果和试验数据之间的偏差是可以接受的。
因此，本研究所建立的数值模型被证明是一种可靠的分析方法，用于分析由于柱失效引起的冷却塔塌陷。 它被用来分析原型塔的塌陷过程。
原型塔的数值预测崩塌过程
图9显示了一半柱失效引起的原型塔崩塌过程。 柱失效后，壳体结构开始倾斜。 随着倾斜度的增加，压缩区域（接近故障区域）的柱连续失效。 当所有剩余的柱失效时，壳结构完全以一定角度折叠。在3.96秒，由于巨大的冲击力，壳体的下部撞击地面并开始分解，而壳体的上部继续倾斜直至最终崩塌。 从图9（f）可以看出，在倒塌过程中，冷却塔的变形和损坏有一个对称的平面，穿过冷却塔的中心，平行于塌陷的方向。。 在塔的侧面选择的标记点可以用来描述塌陷过程中的运动状态。 图10分别显示了这些点在冷却塔撞击地面前的x方向和z方向上的位移时程曲线。 标记点1＃到7＃在x方向的位移与它们的高度成正比，而在z方向的标记点的位移是彼此相近的。 所有标记点的位移差异与向下运动相比都较小，这表明在塌陷过程中，壳体旋转了大约一个点，并伴随着向下坠落。 标志点A-D在x方向上的位移似乎为负值，表明运动方向与坍塌方向相反，即壳体下部在坍塌过程中向后移动。 在z方向上，首先发生在点A的垂直位移，并且在几乎同时发生到点C和D，这表明这两点附近的柱子的失效时刻非常接近。t = 3.0 s后，所有标志点的位移增量近似，表明壳体的主运动状态已经转移到完全下降。 因此，冷却塔的崩溃模式被归类为伴随着向后倾斜然后一起倾倒的旋转堆放。
有趣的是发现塔模型和原型塔的崩溃模式有些不同。 详细讨论在“比例缩放和原型塔之间的折叠过程比较”一节中给出。
简化的机械方法
已开发了钢筋混凝土超大型冷却塔的三维有限元模型。 与缩放塔模型的测试结果进行比较表明，该模型可成功用于预测塔失效引起的崩塌行为。 然而，数值模拟需要精确的建模和精细的网格，这是复杂和耗时的。 考虑到工程师的简单易用性，本节提出了一种机械方法来分析冷却塔的崩塌行为。 从数值模拟中可知，柱体
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[467414]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
