某核电站安全壳隔震动力响应规律初探

陈杨

摘要：在核电站的运行过程当中，保证其安全可靠是极为关键的，核电厂核岛最重要厂房结构——安全壳是核反应堆承受事故的最后一道安全屏障，对安全壳的抗震设计是核电站设计的重中之重，历来就是国内外土建界关心和研究的重点。隔震结构有别于传统的抗震设计理念，是指在结构底部与基础面之间设置某种隔震装置，既能很好的承担结构的竖向荷载，又因为它的侧向刚度比较低，能够增大结构的自振周期和减小上部结构的地震反应，从而确保上部结构安全。隔震技术已在各国得到了比较广泛的关注，并广泛运用于各种房屋建筑、公路桥梁及结构的加固中。本文对于核电站的安全壳隔震能力进行了评估，通过动力响应规律的考察来对其进一步的发展进行探讨，力求提升核电站的运行稳定性。

关键词：核电站；安全壳；隔震

隔震技术现已在世界各国得到了比较广泛的关注，并广泛运用于各种房屋建筑、公路桥梁及结构的加固中。其具有双屈服面的弹塑性，在工程上有着更加实际的应用，它可以对于堆石料中的剪胀特性进行反应，相对于一些传统的非线性的模型，其能够更加合理的反映出其物理特性，同时还可以利用邓肯模型的相关分析，来对其进行优化，因此其有着越来越重要的地位。使用了广义位势理论来对于本构关系进行了探讨，通过对于塑性函数以及屈服函数进行计算，从而减小了误差，使得计算更加的具有准确性和严谨性。多重势面模型通过利用邓肯的模型来对其进行优化，对于一些特性进行了良好的反映，其在应用过程中具有更加实用的作用，是一个优点比较突出的模型。

1隔震技术原理

隔震结构有别于传统的抗震设计理念，是指在结构底部与基础面之间设置某种隔震装置，既能很好的承担结构的竖向荷载，又因为它的侧向刚度比较低，能够增大结构的自振周期和减小上部结构的地震反应，从而确保上部结构安全。我国学者从二十世纪六十年代开始关注结构隔震理论，广州周福霖院士，湖南大学黄为明等对叠层橡胶垫的性能进行了试验研究，并陆续在国内建设了一些隔震建筑，其中有些建筑经历了地震的考验，证实了隔震的有效性。Goodman模型可以对于其切向的变化进行有效的描述，同时也可以进行接触面的仿真，因为其主要是通过假设来参照，从而实现相对位移的计算，但是它的主要问题在于人为的指定有可能会使得最终的迭代计算出现一定的问题，使得偏差变大，土木的单元出现脱离的情况，不符合实际情况，这是无厚度单元的不足之处。在之前对于隔震技术进行相关的分析时，很多时候采用的是Duncan E-v的方案，但是这也存在着一些问题，主要在于其可能会造成所计算出来的应力和真正的水平的位移出现一定的偏差，所以我们利用邓肯的模型来对其进行替代，根据实际的工程经验来对于其参数进行分析与计算，同时因为其使用比较简单，精确度较高，那么就在混凝土的计算当中有着大量的应用，同时也为这个方法而发布了很多成果，这个模型在进行一定的改进之后，所得到的结果是非常可靠的，不仅能够满足工程上的要求，也能使得石坝更加的安全。但是其問题就在于对于剪胀特性，其无法进行更好的反推，所以我们希望有着更好的模型来对其进行改良。

2安全隔振计算模型的建立

2.1安全壳结构

某核电站安全壳内壳为单层预应力钢筋混凝土壳，混凝土强度等级为C50。安全壳圆筒平面内径22m，壁厚1.2m，圆筒上接扁壳型穹顶半径为32.66m，穹顶厚1m。根据布置设计，安全壳筏基底部标高为-7.5m，穹顶标高为58.5m，穹顶由两段8m半径的弧和一段32m半径的弧组成，其内部容积为9万m3。

2.2隔震计算模型

安全壳和内部结构共用钢筋混凝土筏板式基础，基础底板的厚度为5m，刚度较大，安全壳模型从基础底板顶面之上建立，一般结构基础与地基连接为铰支座，隔震支座竖向刚度为无穷大，水平刚度较小。隔震支座的力学模型可以简化为由水平方向的非线性弹簧和粘滞阻尼器、竖向的线性弹簧所组成。即水平方向用Combin40双线性单元模拟，竖向刚度很大，采用Combin14单元模拟。混凝土单轴抗压强度取为50MPa，单轴抗拉强度取为4MPa，弹性模量取为3.50x104MPa。初步设计采用55束15.7mm，强度标准值为1860MPa的预应力筋。模型中采用SOLID65单元模拟安全壳筒体、穹顶、扶壁柱等混凝土部分。用LINK8单元模拟预应力钢束。在地震之后，安全壳中的水体可能会有着较大的应力，那么就可能直接影响到挡水坝，而且它本身还受到安全壳变形的影响，是一种流固耦合问题。认为地基在竖直方向是刚性的，可以直接采用水压力来进行分析，假设存在无穷远的上游方向，安全壳底部假定为水平面，且是刚性的。采用简谐运动的模型来对于压力进行建模，这样就可以有效的进行质量分析，不使用水体压缩就可以有效的进行应力计算，同时采用有限元的分析技术，可以在假设流动较小时，对其表面波进行忽略，从而能够简洁准确的进行安全壳的水作用分析。主要利用的是等效线弹性方式，其可以对于其非线性相关的特点来进行描述，同时利用阻尼比来对其进行等效，最终能够得到应力的变化关系，但是其缺点在于无法进行具体的公式推导。该模型有以下不足之处：该模型加卸载模量相同，难以区分，与实际情况不符；但是其缺点主要是在于无法进行永久变形量的计算，同时无法对于其应力的特性进行相关的分析，需要利用更为完善的模型来进行判断。但是，该模型由于概念清晰，使用简便，目前的应用最为广泛。面板坝模型振动试验显示，安全壳在振动过程当中存在着明显的基本频率，可以表明，从理论上来讲该方法具有一定的合理性。

3计算结果分析

隔震核安全壳由于橡胶垫水平刚度很小，因此位移主要集中在隔震层。但隔震层位移值很小仅27mm，未超过橡胶垫位移最大值280mm。并且上部结构基本处于整体平移状态，位移较小，仅6mm。而一般结构由于基础与上部结构固结，因此上部结构变形较大。可以看出，隔震结构变形主要集中在隔震层，上部位移仅是一般结构的12%左右。应用ANSYS分析得到隔震与一般结构最大加速度值响应，结构最大加速度发生在结构顶点处。隔震技术安全壳的加速度反应明显减小，是未隔震反应的20%左右。对岩土的荷载实验进行探究可以发现，在地震发生之后动力的变化特征主要有两个，在于其有着滞后与非线性的特点，如果对其进行循环的应力提供，那么它将会成为一个滞回的曲线，来对于应力进行反映，通过施加不同大小应力循环的周期剪应力，获得多个滞回国，将每个滞回国中的应变最大值点连成曲线，得到土的应力一应变骨干曲线，它们两者共同反映了岩土体的动应力一应变关系全过程。

针对于以上的情况，我们对于安全壳的抗震问题有以下建议：

1）注重安全壳的质量提升

我国采用了国家的强制标准来对于安全壳的施工标准进行了有效的定义，这样才使得我国的安全壳质量明显提升，同时对于世界上的先进管理经验进行了学习，这样使得我国在管理方面取得了极大的进步。安全壳管理是建筑整体项目的一个重要组成部分，在安全壳使用之前就要对整个安全壳中所需的成本进行一定的分析，对所有的过程、对各个细节都要进行考察，这样就能使得安全壳的管理更加的科学与精确。

2）对抗震设施进行可靠性管理

对可靠性的管理主要以下几项详细的工作，第一是应该对整个结构的分布与形式进行考察，将其各个参数，尤其是细节方面时段进行记录与仿真。第二对土地使用情况进行分析调查。第三是做好地基方面的检查，将技术性的工作情况数据进行调查分析，使得能够得到在历史地基发生变化时，结构中的改变情况。第四是对抗震设施进行分析，选取能够满足工作要求的材料，同时对其使用情况进行考察。第五是对抗震部件进行排查，将存在故障的部分进行移除，对于其裂缝与变形情况，要及时的记录。根据在火灾后抗震设施结构的尺寸和实际受力情况确定其计算简图，在承载力验算过程中，应该将构件当中的磨损与缺陷等情况进行合理有效的控制，需要进行适当的强度折减，并且考虑到应用中结构变形、荷载偏心、热胀冷缩作用等原因导致的附加应力。

3）加强对于安全壳的常规检查

对于所使用材料应该严格按照加固设计方案中标注的加固部位和材料进行施工。如果缺乏原始材料资料，则通过实际测量确定材料的选择。针对于抗震能力进行施工时对钢筋、水泥、混凝土等的强度都有要求，在混凝土中绝不能掺入火山灰、粉煤灰等掺和料，无论是灌浆材料还是粘结材料，其粘结强度都应该比建筑原有构件和加固部分构件的强度要高，这样才能保证建筑的抗火灾能力。

4结论

这些年来，很多的高新技术进行发展，计算机、自动化等技术在工业中得到了广泛的推广，同时，在抗震技术的作用下，使得安全壳管理水平越来越高，其主要依靠传感器、控制器等实现自动的控制与操作，因此我们必须提升安全壳抗震的可靠度，使其更好地为我们而服务。

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