某核电站整体基础三维隔震地震反应分析

戴颖楠 闫维明 陈适才

(北京工业大学 建筑工程学院,北京 100124)

0 引 言

基础隔震技术尤其基础三维隔震能同时降低隔震结构的水平和竖向地震作用,使结构和重要设备避开共振区域,减小地震作用的破坏,提高结构的抗震裕度。

目前隔震技术的可靠性及经济性己得到广泛认可,但全世界运行的核电厂中,只有法国的Cruas核电厂和南非的Koeberg核电厂使用了基底水平隔震技术[1] [2],由于三维隔震技术仍存在一些缺点,目前此技术一直处于研究中还未实际运用到核电站工程中,我国也在对三维隔震技术进行研究,如王涛等进行的1/15缩比模型的安全壳振动台试验[3],魏陆顺等进行的核岛厂房系统的三维隔震研究[4]等,通过研究表明三维隔震技术对三向隔震效果显著,但已有研究中仅对预应力混凝土安全壳的隔震,未对反应堆整体进行隔震。本文针对第四代核电站结构,研究分析其整体三维基础隔震方法,分析整体隔震性能,以期为其应用提供参考依据。

1 核电站概况

第四代核电站由反应堆嵌固在基础筏板上组合而成,分为地上和地下两部分,属于平面、立面均不规则结构,图1为核电站三维图。该结构采用钢筋混凝土剪力墙结构型式,C35等级混凝土。在运行安全地震动下,结构阻尼比为0.05;极限安全地震动下,结构阻尼比为0.07。

图1 核电站三维图Fig.1 Three-dimensional model of nuclear power plant

2 核电站有限元分析模型

一般核电站上部为集中质量-梁单元、下部筏板基础为实体单元进行简化计算模型[5],由于核电站属于复杂和安全性较高的结构,故本文采用SAP2000软件,建立上部墙体为分层壳单元、楼板为厚壳单元,筏板基础为实体单元而组成的有限元模型进行分析。

在隔震层设计时,采用三维隔震支座[6](蝶形弹簧竖向支座串联铅芯橡胶水平支座,见图2)。在SAP2000模型中水平支座采用Rubber lsolator单元模拟,竖向支座采用Plastic(Wen)单元模拟。

3 核电站隔震设计分析

3.1 隔震支座的布置及选型

考虑隔震后刚心与质心尽量重合且不产生扭转,使隔震后周期延长,满足抗震规范[7]对于隔震结构的各项指标的要求,达到安全储备和隔震效果,经反复试算,最终确定选用329个三维隔震支座。隔震支座布置见图3,性能参数见表1。

图2 三维隔震支座Fig.2 Three-dimensional isolation bearing

图3 隔震支座布置图Fig.3 Arrangement of isolation bearings

表1隔震支座性能参数

Table 1Performance parameters of isolation bearings

3.2 核电站隔震设计分析

对SAP2000的非隔震模型和隔震模型分别进行模态分析,周期对比结果见表2。结果表明,采用隔震措施后有效延长了结构自振周期,使其避开场地卓越周期以减少共振效应。隔震后前三振型以平动为主,未出现扭转,故减少了扭转效应。

表2非隔震与隔震周期对比

Table 2Comparison of periods between fixed and isolated structures

4 核电站隔震动力分析

4.1 地震动输入

根据《建筑抗震设计规范》[7]要求,采用时程分析法时应选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线,故选取2条天然波(天然波1:Kobe波;天然波2:Chuetsuoki波)和根据核电站RG1.60标准设计谱拟合得到的2条人工波(人工波1:运行安全地震动下阻尼比0.05、水平地面运动加速度峰值0.1g拟合而成;人工波2:极限安全地震动下阻尼比0.07、水平地面运动加速度峰值0.2g拟合而成)[8],各条地震波反应谱曲线见图4。地震波采用三向(水平X、Y,竖向Z)输入,X向、Y向、Z向的加速度峰值比为1∶1∶0.65。

4.2 层间剪力

反应堆隔震与非隔震的层间剪力见表3,隔震后层间剪力减小70%～90%,由层间剪力比最大值确定的减震系数为0.267、0.291,由减震系数可知,上部结构可降低0.1g～0.2g,提高了反应堆在地震作用下的安全储备。

由表3可见,隔震后结构的基底剪力减小为非隔震结构的1/3,X向基底减震率为0.732、0.709,Y向基底减震率为0.769、0.724,减震效果明显。

4.3 层间位移

由图5反应堆在水平向隔震与非隔震的层间位移角对比可知,隔震前位移角较大,且随高度而增大,由于顶层墙体抗侧刚度较大而减小。隔震后位移角明显减小,较大位移集中在隔震层,上部结构各层位移角基本相同,说明上部结构在地震作用下为双向平动,不产生扭转,故水平隔震效果良好。

图4 地震波反应谱曲线Fig.4 Response spectrum of earthquake waves

由图6反应堆在竖向隔震与非隔震的相对位移对比可知,隔震前各层的竖向位移较大但基本相同。隔震后上部各层的竖向位移约为隔震前的1/3,隔震层的竖向位移为0.16 mm、0.25 mm,说明竖向变形主要集中在隔震层,上部结构相对位移降低且几乎保持平动,竖向隔震效果良好,减小了各层产生的竖向相对位移对内部安全壳的破坏。

4.4 顶层加速度

图7给出了反应堆部分水平向隔震与非隔震的顶层加速度时程对比,可见隔震后顶层最大加速度约为隔震前的1/10,水平隔震效果非常明显。这是因为水平隔震自振周期延长,远离地震波的卓越周期,有效减小结构振动,故说明水平隔震效果良好。

表3层间剪力

Table 3Floor shear force

图5 水平向层间位移角Fig.5 Horizontal story drift angle

图6 反应堆Z向相对位移Fig.6 Vertical relative displacement of reactor

图8给出了反应堆部分竖向隔震与非隔震的顶层加速度时程对比,可见隔震后顶层加速度明显降低,竖向隔震效果明显,但比水平隔震效果差,顶层最大加速度约为隔震前的1/3,说明竖向隔震周期与竖向地震波的卓越周期更为接近。由此可知通过增大周期差可提高竖向隔震效果。由图8(d)(采用归一法)可见,隔震前结构各层加速度均有增大,隔震后上部结构的各层加速度基本相同且小于隔震层的加速度,说明隔震层吸收大量竖向地震能,有效减少了地震动向上部结构的传递,减小竖向地震动对设备的破坏[9]。

图7 反应堆X向顶层加速度对比Fig.7 Comparison of roof acceleration of reactor in X direction

图8 反应堆Z向加速度对比Fig.8 Comparison of vertical acceleration of reactor

4.5 超设计基准地震动下隔震层的特性

根据核电站要求,超设计基准地震动考虑运行安全地震动下阻尼比0.05、水平地面运动加速度峰值0.4g的情况。

隔震层耗能:图9给出部分水平向地震作用下的隔震层能量时程曲线,由图可见隔震层耗散输入能量的1/8(天然波2)～1/3(人工波1、天然波1),虽然天然波2作用下隔震层耗散能量较小,但各条波作用下均减小了上部结构本身的耗能要求,从而提高了上部结构的抗震性能。

图9 隔震层能量时程曲线Fig.9 Energy time history curve of isolated layer

隔震层的水平等效刚度和位移:铅芯橡胶支座的水平刚度(D800=1 700 kN/m,D900=2 130 kN/m,D1 100=3 170 kN/m)均满足250%水平性能(D800=1 770 kN/m,D900=2 213 kN/m,D1 100=3 305 kN/m),故隔震层的水平刚度892 976 kN/m未超过容许值927 374 kN/m,说明隔震层的水平恢复力特性满足要求。所有支座均满足在超设计基准地震动下的极限位移486 mm (支座有效直径的0.55倍和支座内部橡胶总厚度3.0倍二者的较小值),说明隔震层位移满足要求。

隔震层的竖向位移和刚度:在超设计基准地震动下隔震层的蝶型弹簧支座的竖向位移为1.33 mm,小于极限位移7.5 mm (0.75倍单个碟簧的极限位移),故满足位移和刚度要求。

隔震支座拉/压应力:经验算可知结构所有隔震支座均满足压应力小于10 MPa的要求。其中3号、311号隔震支座在人工波1的水平向与45°地震动输入下均产生小于1 MPa的拉应力,故满足在超设计基准地震动下极限拉应力的要求。

4.6 楼层反应谱

核电设备位于结构不同高度处,随着高度增加楼层加速度增大,对设备在运行安全地震动下是否能安全运行影响较大,故采用楼层反应谱[10]计算可为结构-设备体系提供抗震设计依据。本文利用时程法(通过对结构输入地震动的时程分析)计算水平向和竖向的楼层反应谱。

图10为最高处设备(标高20.8 m)所在楼层反应谱,由图可知隔震前楼层反应谱峰值很大,因结构周期(0.22 s)与设备自振周期(核电设备周期范围0.03～0.2 s)[11]产生共振效应而造成,隔震后水平向的楼层反应谱峰值明显减小,且峰值出现的周期延长,说明隔震后由于结构周期延长(2.37 s)避开了设备自振周期,故楼层反应谱最大峰值减小为隔震前的1/8左右,提高了设备在水平地震动下的安全性。

由图10可知隔震后竖向的楼层反应谱最大峰值明显增大,约为隔震前的1.5倍,因竖向支座刚度较大造成,但峰值出现的周期延长、谱形变窄,说明虽然反应谱峰值增大,但仅对很小范围内的长周期设备有影响,而结构竖向周期(1.17 s)避免与设备自振周期的共振效应,同样提高设备在竖向地震动下的安全性。故说明三向隔震效果良好,但水平效果优于竖向效果。建议在满足各项要求的情况下,将结构与设备的竖向周期差增大,竖向支座刚度减小,可降低竖向楼层反应谱的峰值及延长出现周期,提高竖向隔震效果。

图10 楼层反应谱Fig.10 Floor response spectrum

5 结 论

本文通过对第四代核电站的有限元模型进行基础三维隔震分析,得到如下结论:

(1) 隔震后延长了结构的自振周期,减小共振效应;利用三维隔震支座的水平变形和竖向变形耗散三向地震能量,降低了上部结构的地震响应,其中减震系数为0.267、0.291,上部结构可降低0.1g～0.2g;上部各层的竖向位移约为隔震前的1/3;隔震后顶层的最大水平加速度约为隔震前的1/10,最大竖向加速度约为隔震前的1/3。由此可知隔震后对结构的整体抗震性和内部设备的安全性显著提高。水平隔震效果比竖向隔震效果更为明显。

(2) 三维隔震支座既具有铅芯橡胶支座的水平特性又具有蝶形弹簧支座的竖向特性,通过对隔震层的分析,隔震支座的耗能、刚度、位移等均满足控制目标,其中隔震层耗散输入能量的1/8～1/3;隔震层的竖向位移为1.33 mm,小于极限位移。说明隔震支座的选型与隔震层的布置方案具有安全性和可行性。

(3) 通过楼层反应谱分析可知隔震后水平向优于竖向,水平向反应谱最大峰值减小为隔震前的1/8左右,有利于设备抗震,但竖向反应谱最大峰值比隔震前增大,可对此进行深入优化,并为设备的抗震设计提供依据。