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地震和冲击荷载作用下CPR1000核电厂安全壳破坏机理试验研究

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1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 地震作用下安全壳研究现状

1.3 冲击荷载作用下安全壳研究现状

1.4 模型试验材料概述

1.5 本文主要研究内容

2 模型相似关系和模型材料选择

2.1 CPR1000安全壳原型结构

2.2 振动台

2.3 模型相似关系

2.4 模型材料选择

2.5 本章小结

3 安全壳模型制作和振动台模型试验

3.1 安全壳模型制作

3.2 安全壳振动台模型试验

3.3 本章小结

4 安全壳冲击破坏试验

4.1 撞击试验方案

4.2 撞击试验结果与分析

4.3 本章小结

5 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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摘要

安全壳是核电厂中防止放射性物质向外扩散到周围环境的最后一道防护屏障，其重要性是十分明显的。本文以CPR1000核电厂预应力混凝土安全壳为研究对象，首先依据白金汉π定理推导了模型相似关系，然后研制开发了模型相似材料，设计建造了几何比尺为1/20的仿真混凝土安全壳模型，最后对安全壳模型进行了一系列振动台试验和撞击试验，研究了CPR1000安全壳在地震作用下和冲击荷载作用下的动力响应特性以及破坏机理。主要研究内容和结论如下：
　　(1)由白金汉π定理推导了模型相似关系，研制开发了一种由水泥、矿石粉、重晶石粉、重晶石砂和水按一定配合比拌合而成的仿真混凝土材料。通过构件试验，包括立方体劈裂试验、三点和四点弯曲梁试验、悬臂梁敲击试验，研究了材料的弹性模量、抗拉强度、极限拉应变、拉伸和压缩时的破坏性态、动弹性模量等参数与配合比、养护时间和温度之间的关系。材料试验结果表明：所研制的仿真混凝土模型材料和原型混凝土材料基本相似，能够很好地满足安全壳结构动力破坏模型试验的相似要求。
　　(2)采用本文研制开发的模型材料，在大连理工大学抗震实验室的振动台上建造了CPR1000安全壳1/20缩尺模型。通过逐级施加由RG1.60谱生成的水平向和竖直向地震激励直至安全壳模型发生宏观破坏。模型试验结果表明：安全壳模型最大加速度放大倍数为1.974(0.2g工况时，水平向)。直至在水平向峰值加速度0.9g(对应于安全壳原型为0.9g)地震作用下，安全壳模型只有轻微的损伤，模型整体仍然处于弹性的范围内。在水平向峰值加速度1.2g(对应于安全壳原型为1.2g)强震作用下，安全壳模型筒体底部出现了沿环向一周的裂缝，表明此时安全壳模型发生了混凝土开裂破坏，筒体底部为安全壳在地震作用时的薄弱部位。尽管在安全壳模型筒体底部出现了沿环向一周的裂缝，但是安全壳模型整体上依然保持完好，没有出现裂缝部位错开现象，也没有出现倒塌现象。由于在试验中浇筑的安全壳缩尺模型是一个素混凝土结构，因此安全壳振动台模型试验的结果和结论是偏于保守的，所以可知CPR1000核电厂预应力混凝土安全壳原型结构具有足够的抗震安全裕度。
　　(3)为了研究核电厂安全壳在冲击荷载作用下的响应，对CPR1000安全壳1/20缩尺模型进行了一系列撞击试验。试验利用小型飞机(新舟600)和大型商用飞机(波音737-800)的等效相似模型为模型飞行物来模拟飞机撞击安全壳的模型试验。模型试验结果表明：安全壳结构在小型飞机撞击作用下会出现局部冲剪破坏，结构能保持弹性完整性；在大型商用飞机的第1次撞击作用下，安全壳会出现大量的宏观裂纹，但整体结构能保持基本完好，没有出现整体性的破坏和倒塌现象，而在第2次撞击作用下，安全壳则发生倒塌。CPR1000安全壳原型结构具有较强的抵抗大型飞行物撞击的能力。

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