基于贝叶斯估计的核电厂安全壳内压概率安全评估.pdf
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1、第 卷第期原子能科学技术V o l ,N o 年月A t o m i cE n e r g yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA p r 基于贝叶斯估计的核电厂安全壳内压概率安全评估田澳楠,郑志,潘晓兰,苏春阳,王勇(太原理工大学 土木工程学院,山西 太原 )摘要:核电厂安全壳的内压易损性评估多采用简化的对数正态分布模型,缺乏严格的理论分析.本文基于贝叶斯理论提出一种适用于核电厂安全壳的内压易损性评估方法.该方法首先建立了安全壳在内压作用下的确定需求模型,并通过添加修正项对需求模型进行修正,然后利用贝叶斯估计逐步对修正项进行筛选,从而获得准确的概率需求
2、模型,最终通过建立安全壳极限状态方程给出易损性评估结果.在此基础上,引入内压概率模型实现了安全壳概率安全评估,并与采用传统易损性评估的概率安全评估结果进行了对比.结果表明,安全壳的总失效概率随着混凝土损伤面积比的增大而逐渐减小,采用贝叶斯估计方法获得的安全壳总失效概率均值大于传统易损性评估方法,而变异系数小于传统易损性评估方法.本文方法可为计算核电厂安全壳在内压下的概率安全评估提供更为精准和保守的结果.关键词:预应力混凝土安全壳;损伤状态;贝叶斯估计;易损性评估;概率安全评估中图分类号:T L 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金(,);山西省应用基础研
3、究计划面上青年基金(D );山西省回国留学人员科研资助项目()通信作者:郑志d o i:/y z k y o u x i a n P r o b a b i l i s t i cS a f e t yA s s e s s m e n t o fC o n t a i n m e n t S t r u c t u r eu n d e r I n t e r n a lP r e s s u r eB a s e do nB a y e s i a nE s t i m a t i o nT I ANA o n a n,Z HE NGZ h i,P ANX i a o l a n,S UC
4、 h u n y a n g,WANGY o n g(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep r o b a b i l i s t i cs a f e t ya s s e s s m e n to fn u c l e a rc o n t a i n m e n tu n d e ri n t e r n a lp r e s s
5、u r e i s t h ek e ye v a l u a t i o nc o n t e n t f o rg u a r a n t e e i n gn u c l e a rp o w e rp l a n ts a f e t y,a n dt h e f r a g i l i t ya s s e s s m e n to ft h ec o n t a i n m e n tu n d e r i n t e r n a lp r e s s u r ei st h em o s tc r u c i a ls t e p i n t h ep r o b a b i l
6、 i s t i c s a f e t ya s s e s s m e n t o f n u c l e a r c o n t a i n m e n t A t p r e s e n t,t h e i n t e r n a lp r e s s u r ef r a g i l i t y a s s e s s m e n to ft h ec o n t a i n m e n t m o s t l y a d o p t st h es i m p l i f i e dl o g n o r m a ld i s t r i b u t i o n m o d e l
7、,w h i c hl a c k sar i g o r o u st h e o r e t i c a la n a l y s i s T h e r ea r em u l t i p l eu n c e r t a i n t y i s s u e sa f f e c t i n gs t r u c t u r a l r e s p o n s e so fn u c l e a rc o n t a i n m e n t i nt h ef r a g i l i t ya n a l y s i sa n dt h er e s u l t so ft h ef r
8、 a g i l i t ya n a l y s i ss h o u l db eo nt h eb a s i so far i g o r o u sc a p a c i t y d e m a n dm o d e l M e a n w h i l e,l o a dp a r a m e t e r s(i e i n t e r n a lp r e s s u r e)a r eu s u a l l yu s e da sk e y i n f o r m a t i o nt oa s s e s s t h e i n t e r n a lp r e s s u r
9、 e f a i l u r ep r o b a b i l i t yo fc o n t a i n m e n t H o w e v e r,d a m a g e a n d f a i l u r eo f c o n t a i n m e n t a r em o r e i n t e n s i v e l yc o r r e l a t e dt os t r u c t u r a l r e s p o n s ep a r a m e t e r s(e g s t r u c t u r a l a c c e l e r a t i o n,s t r u
10、c t u r a ld i s p l a c e m e n t,a n dd a m a g e i n d i c e s)c o m p a r e dw i t hl o a dp a r a m e t e r s F o r t h i s r e a s o n,t h i sp a p e rp r o p o s e da n i n t e r n a l p r e s s u r e f r a g i l i t ya s s e s s m e n tm e t h o db a s e do nB a y e s i a nt h e o r yf o rn
11、u c l e a rc o n t a i n m e n ta n daf o r mo fd a m a g er a t i ow a su s e da sap a r a m e t e rf o rf r a g i l i t ya s s e s s m e n to f c o n t a i n m e n t T h ed a m a g er a t i ow a sr e a l i z e db yd e f i n i n gt h er a t i oo ft h ed a m a g ea r e at ot h ef u l la r e ao ft h
12、ec o n t a i n m e n tc o n c r e t e S p e c i f i c a l l y,t h ef r a g i l i t ya s s e s s m e n tm e t h o df i r s te s t a b l i s h e dad e t e r m i n i s t i cd e m a n dm o d e l f o rt h ec o n t a i n m e n tu n d e r i n t e r n a lp r e s s u r e,a n dt h e nc o r r e c t e dt h ed e
13、 m a n d m o d e lb ya d d i n gc o r r e c t i o nt e r m s A f t e r t h a t,B a y e s i a ne s t i m a t i o nw a su s e d t og r a d u a l l y f i l t e r t h e c o r r e c t i o n t e r m s,r e s u l t i n gi na na c c u r a t ep r o b a b i l i s t i cd e m a n d m o d e l F i n a l l y,af r a
14、 g i l i t ya s s e s s m e n tr e s u l tw a so b t a i n e db ye s t a b l i s h i n gal i m i ts t a t ee q u a t i o nf o rt h ec o n t a i n m e n t O nt h i sb a s i s,t h ep r o b a b i l i s t i cm o d e l u n d e r i n t e r n a l p r e s s u r ew a s i n t r o d u c e d t o r e a l i z e t
15、 h ep r o b a b i l i s t i cs a f e t ya s s e s s m e n to ft h ec o n t a i n m e n t,a n dt h er e s u l t so fp r o b a b i l i s t i cs a f e t ya s s e s s m e n tw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo fc o n v e n t i o n a l f r a g i l i t ya s s e s s m e n t T h er e s u l t ss h o wt h
16、 a tt h ec u m u l a t i v ec o n t a i n m e n tf a i l u r ep r o b a b i l i t y(C C F P)o ft h ec o n t a i n m e n td e c r e a s e sg r a d u a l l yw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ed a m a g e r a t i oa n dt h ec o e f f i c i e n to f v a r i a t i o no ft h eC C F Pi so b v i o u s l y
17、s m a l l e rt h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a lf r a g i l i t ya s s e s s m e n tm e t h o d I nt h i sp a p e r,B a y e s i a ne s t i m a t i o n i s i n t r o d u c e df o rp r o b a b i l i s t i cs a f e t ya s s e s s m e n to f i n t e r n a l p r e s s u r e i nc o n t a i n m e
18、 n t,a n d t h ed a m a g e r a t i o i su s e da s ak e yp a r a m e t e r f o r f r a g i l i t ya s s e s s m e n t o f c o n t a i n m e n t,w h i c hc a np r o v i d em o r e a c c u r a t e a n dc o n s e r v a t i v er e s u l t s f o rp r o b a b i l i s t i cs a f e t ya s s e s s m e n to
19、f i n t e r n a l p r e s s u r e i nc o n t a i n m e n t K e yw o r d s:p r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t a i n m e n t;d a m a g e s t a t e;B a y e s i a ne s t i m a t i o n;f r a g i l i t ya s s e s s m e n t;p r o b a b i l i s t i cs a f e t ya s s e s s m e n t近些年来,频发的地震灾害给核电厂的安全
20、性能带来了严重威胁,这些超出设计基准的地震事故可能会对核电厂的主要系统和部件带来不可预测的损坏.为此,许多研究人员对核电厂的安全性能进行了概率评估,以抵御核电厂在严重事故下的潜在影响.P r i n j a等使用一阶可靠度分析法预测了安全壳在超压荷载下的失效概率,并分析了带钢衬里的安全壳和不带钢衬里的安全壳的结构可靠性.K i m等对考虑长期钢筋束退化的安全壳结构进行了内压荷载下的可靠性分析,结果表明钢筋束数量与安全壳 的可靠性呈 正相关 关 系.H o s e y n i等采用中值压力法对安全壳在超压作用下的失效概率进行了综合评估,并给出了安全壳在特定 压 力 下 的 失 效 概 率 和 极
21、 限 承 压 能 力.G r a n g e r等采用置信度的方法对安全壳进行了在内压荷载下的概率安全评估,并对安全壳的抗泄漏能力进行了分析.金松等考虑材料不确定性、统计不确定性以及建模不确定性等因素并对安全壳开展了概率安全评估,最后使用泰勒展开方法得到了安全壳的总失效概率.Z h a o等在考虑结构不确定性的情况下提出了一种基于P E I D A的地震易损性分析方法,并通过单自由度体系对该方法进行了验证.结果表明,结构参数的不确定性对易损性的影响与结构损伤程度呈正比关系.Kw a g等提出了一种基于完全采样的地震概率评估量化方法,该方法能够准确地表示安全壳结构地震易损性信息的相关性.王晓磊等
22、 对我国核电厂安全壳进行了地震易损性研究,并基于地震风险解析函数和风险卷积函数评估了我国某核电厂安全壳地震风险,提出了适用于我国核电厂地震易损性及风险评估的方法.上述学者在对安全壳进行事故荷载或地震作用下的易损性分析时均假定易损性函数服从对数正态分布模型,然而该模型未能综合考虑第期田澳楠等:基于贝叶斯估计的核电厂安全壳内压概率安全评估认知、经 验、统 计 等 多 种 不 确 定 性 因 素 的 影响,这可能会极大影响安全壳概率安全评估的准确性.当前,G a r d o n i等 提出了完整的易损性评估理论,其通过采用贝叶斯估计建立结构的概率能力模型和需求模型,并综合考虑模型所有相关的不确定性,
23、最大限度地提高了易损性评估和概率安全评估的准确性,然而该理论还未应用于核电厂安全壳的易损性和概率安全评估.应用贝叶斯估计理论进行安全壳的易损性和概率安全评估面临两大难点:)建立安全壳内压概率需求模型时首先需要确定能够反映结构整体反应变化的参数;)准确的概率需求模型还需要兼顾模型的简洁性,这需要对模型进行修正.为此,本文提出一种新的混凝土损伤参数来评估安全壳混凝土的整体损伤性能,同时利用该参数建立确定性的内压需求模型.然后采用贝叶斯估计方法建立安全壳的概率需求模型,并对模型参数进行优化.在此基础上对不同损伤状态下的安全壳开展易损性评估及概率安全评估.安全壳结构有限元模型 安全壳几何模型介绍预应力
24、混凝土安全壳由穹顶、筒体、钢衬里、扶壁柱、普通钢筋、预应力筋等组成.安全壳结构总高度为 m,其中筒体高度为 m,穹顶高度为 m.穹顶可以减小安全壳在极高内压下的不利影响,穹顶的跨度和曲率半径分别为 m和 m;筒体的内外径分别为 m和 m.双层普通钢筋分别为竖直和水平分布.为了保证安全壳结构的完整性,在安全壳筒壁上布置了预应力筋系统.预应力筋系统由 根预应力筋组成,其中 根水平预 应 力 筋 锚 固 在 扶 壁 柱 上,根 倒“U”型预应力筋锚固在底板上.为了保证安全壳的密封性,在安全壳的内表面设置了mm厚的钢衬里.此外,为了满足安全壳的功能要求,在筒壁上留有一个直径为 m的设备洞口.安全壳的几
25、何简图如图所示.安全壳材料属性及其本构关系混凝土的强度等级为C .一般来说,混凝土被认为是各向异性的材料,其本构关系是影响裂缝演化的关键因素.为了尽可能准确地模拟安全壳的非线性行为,采用了经典的混凝土塑性损伤(C D P)模型.该模型采用各向同性损伤和各向同性拉压弹性的概念来模拟混凝土的非线性行为,可以很好地表示混凝土在受力情况下的损伤演变.C D P模型通过式()定义拉伸破坏和压缩破坏;非弹性应变以式()表示;等效塑性应变可用式()来实现.损伤参数的确定采用了S i d o r o f f破坏模型.图安全壳几何简图F i g S k e t c ho f c o n t a i n m e
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