【科技牛成果推荐】核电站关键混凝土结构的破坏分析与灾害控制技术

核电站关键混凝土结构的破坏分析与灾害控制技术

【项目简介】

核电工业是现代高科技密集型的国家战略性产业。“在确保安全的基础上高效发展核电”是当前我国核电工业的重要政策。核电站关键混凝土结构安全性能保障和灾害预防具有重要意义。项目依托“863”计划和一系列国家自然科学基金项目，历经十多年联合攻关，聚焦核电站关键混凝土结构破坏过程与特点、灾害预测和控制，取得一系列具有自主知识产权的高水平研究成果，显著推动了行业科技进步。形成了以混凝土结构早龄期性能演化分析与裂缝控制技术、混凝土结构破坏过程多尺度分析与倒塌控制技术、以及核电站大型冷却塔倒塌触地振动分析与次生灾害控制技术等为核心的创新性、集成性成果，并成功指导核电站关键混凝土结构的设计与施工。主要创新点如下：

减少射线泄漏，在施工期易受温湿度变化影响而开裂并在内部产生缺陷，从而降低混凝土材料性能、改变结构破坏模式乃至增大结构失效概率。分析核电站关键混凝土结构早龄期性能演化规律并控制早期开裂对保证结构安全服役有重要意义。早龄期混凝土性能演化受温湿度变化及混凝土孔隙微结构影响。为此，开发了混凝土表面初始开裂信息采集系统、表面裂缝实时监测系统和混凝土裂缝特征参数图形化分析方法；提出了考虑水泥微孔隙和水泥水化的早龄期混凝土热湿耦合模型和基于断裂力学和损伤理论的混凝土开裂模型；揭示了早龄期混凝土和钢筋的时变粘接滑移关系及关键影响因素，从而解决了早龄期混凝土构件性能演化预测问题。早龄期混凝土裂缝控制主要聚焦于提升混凝土性能和减小混凝土应力。项目提出了通过外加剂、胶结材料及粗细骨料选择搭配等技术减小混凝土收缩、增加韧性的混凝土抗裂技术；发展了基于采用新型纳米材料改善混凝土孔隙微结构、桥联混凝土微裂缝的作用机制的混凝土抗裂能力提升技术；此外，考虑水泥微孔隙和早龄期混凝土热湿耦合效应及混凝土和钢筋粘接的时变非线性，提出了早龄期大体积混凝土构件开裂模拟技术，量化了施工缝非关键区诱导开裂、关键区域降低混凝土应力的开裂控制机制，提升了早龄期混凝土结构裂缝控制应用技术水平。

核电站关键混凝土结构在内外部事件作用下如发生破坏则后果严重。混凝土材料具有强变异性，均质材料模型难以精确描述破坏过程。多尺度分析模型能较好地考虑材料变异性和初始缺陷的影响、精确描述结构破坏过程，进而实现结构倒塌的有效控制。考虑混凝土由水泥砂浆、粗骨料、以及二者的界面层组成，发展基于不连续介质力学和混凝土细观力学相结合的混凝土材料力学模型，建立复合受力下混凝土破坏准则。建立了界面粘结抗拉强度、界面内黏聚力与骨料表面粗糙度之间的定量关系。定量描述骨料的形态特征参数与混凝土材料宏观力学性能。建立复合受力下混凝土构件受损、破坏、断裂、分离、和碰撞行为模型。采用离散单元法，将不同结构类型离散为各类体系，通过以弹簧组为特征的多样化单元间连接，考虑块体件-块体之间、以及块体-地面碰撞模型，实现结构倒塌从连续分析到非连续分析的统一。对于核电站冷却塔和安全壳为代表的一类关键混凝土结构，定义和量化针对核电站的偶然荷载和作用，发明超大冷却塔缩尺试验模型制作方法和核电常规岛防甩击装置，建立以分层壳单元、块体碰撞、消去单元补偿等为核心的混凝土壳体结构倒塌过程数值模拟技术。

大型冷却塔倒塌触地振动和碎片撞击等次生灾害，威胁核设施安全运行。提出多灾种下冷却塔倒塌模式以及导致最大地面振动的倒塌模式。建立“冷却塔-土体”模型数值获取冷却塔倒塌触地振动。采用“质量-弹簧-阻尼”模型解析求解碰撞力时程。发展系列触地振动控制技术，包括增加冷却塔与反应堆之间间距、降低冷却塔的质量或塔支柱高度、控制冷却塔的倒塌模式使其发生“肢解倒塌”、研发新型耗能减振材料的作为减振垫层等。提出基于概率理论的地面振动反应谱。发明了通过大型冷却塔倒塌模拟进行工业控制的方法和装置。这些关键技术消除了我国在内陆狭小地区建造核电站引发次生灾害的顾虑与技术难题。

只有当机器人的行为是在自主学习的框架下获得的，才算是机器人具有智能性的一种体现。课题组基于前期在迭代学习算法的突出贡献和优势，进一步将这一仿生控制算法应用到机器人智能行走模型的优化中，通过自主学习获得复杂行为能力。课题组针对机器人的非线性和外界干扰等诸多因素的存在，在迭代学习律、迭代学习收敛性证明和初始条件干扰分析以及迭代学习控制与其它智能控制方法相结合等方面都展开了深入的研究，并开展了相应的实际应用。研究工作发表在国际著名杂志IEEE Trans. Robotics and Automation，Automatica等以及在国际顶级机器人会议IROS，ICRA等做了专题报告，得到同行的肯定和大量引用。