筒体-环形组合建筑结构安全措施效果研究

渠亚卿, 任文静, 邱大鹏

(1. 济宁市安全生产技术服务中心, 山东 济宁 272000; 2. 济南职业学院, 山东 济南 250000;3. 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室, 山东 济南 250101)

0 引言

AP1000堆型筒体-环形组合厂房作为筒体-环形组合建筑结构的典型代表,其构造、设备配置和工艺流程都很复杂,从而导致对其结构的安全性要求极高。地震的发生难以预测,随机性很强,而且很多抗震的需求已经超过了结构自身抗力,因此AP1000堆型筒体-环形组合厂房在超越预估的大震作用下很有可能发生不同程度的破坏,引起十分严重的后果[1]。2011年日本福岛地震时,女川筒体-环形组合厂房2号记录到竖向与水平向PGA分别是0.4g与0.62g,大约是设计地震PGA的两倍,因此,AP1000堆型筒体-环形组合厂房可能遭受超设计基准地震动而引发核事故的问题得到了关注,其抗震安全性能的评估从过去极限安全地震下的校核发展到考虑核电厂房的极限抗震能力及不同性能指标下的易损性。AP1000厂房一般会选择在地质条件较好的硬岩地基上建设,但优良地质条件的场地有限,而所需核电厂房数量日益增加,供需失衡逐渐加剧,因此有必要在其他地质条件下建设该类型厂房[2]。

随着南非、法国等几座核岛厂房基础隔震措施的采用,针对核岛厂房采用基础隔震的研究也得到了重视。由于地震地质条件的复杂性和认知的不足,核电厂房场址可能处于近断层区域,比如Diablo Canyon筒体-环形组合厂房建成后发现其下方有断层存在。Northridge地震、Chi-Chi地震、汶川地震等都表明[3-4],近断层区域内建筑结构相对远场区域内建筑结构的破坏程度显著增大。当今,在油气管道、重力坝、高层建筑、桥梁中开展有关近断层地震动对结构安全性影响的课题研究较多,例如,Zhao等[5]、Aquelet等[6]和Zhang等[7]采用实验、仿真模拟和解析等手段,针对近断层地震下结构损伤与加固改造等相关问题进行了探索,Ksrim等[8]、Choi等[9]、侯钢领等[10]研究了地震作用下屏蔽厂房、附属厂房损伤概率,但都是针对远场地震下硬岩场地的传统AP1000堆型筒体-环形组合厂房的研究,目前针对非基岩近断层场址条件下AP1000堆型筒体-环形组合厂房隔震措施的有效性还未深入研究。风险概率评估(Probabilistic Assessment of Risk,PRA)对评价重要建(构)筑物建设运行可行性具有重要参考价值,而地震损伤研究是PRA中的关键环节,PRA的合理性已得到国际原子能机构、核管会等的论证和认可,建筑结构易损性分析是研究其抗震性能的重要方法,也是评估震后损失的重要依据[11]。综上所述,本文针对AP1000堆型筒体-环形组合厂房的基础隔震措施,首次对其抗震性能指标的划分进行了探讨,并根据该指标分别基于增量动力分析(Incretmental Dynamic Analysis,IDA)和多样条分析(Multiple Striple Analysis,MSA)方法得到的易损性曲线,研究了近场地震动下基础隔震的隔震效果及其建立的可行性,并与远场地震动作用进行了比较;同时为保证结果的准确性和真实性,设置了水平位移限制器并建立了土体无限元模型,以防止隔震装置发生破坏以及传统结构与隔震结构之间发生撞击和倒塌[12],分析结果表明,两种方法得到的结果基本上一致,进一步证明了结果的合理性,隔震厂房能有效降低结构损伤,且安全储备系数满足要求,因此其具有在硬土地基条件下近场区域里建设的可行性。

1 增量动力分析(IDA)和多样条分析(MSA)

采用增量动力分析法(IDA)和多样条分析法(MSA)来研究结构的易损性。为保守起见,取两种方法获得损伤概率的较大值为最终损伤概率。

1.1 易损性分析的IDA方法

损伤概率可用如下公式表示:

(1)

式中:Pf为损伤概率;Dd为地震需求;Dc为结构抗力;IM为地震强度,在这里为峰值加速度。

假定地震需求Dd服从正态对数分布[13],即lnDd～N(ulnR,σlnR),则Dd均值和方差分别为:

(2)

(3)

地震需求Dd的对数均值ulnR和对数标准差σlnR分别为:

(4)

(5)

由式(2)和(3)可推导出式(4)和(5)。

(6)

式中:σR表示地震需求的标准差;uR为地震需求的均值;δR表示变异系数。

最终各等级的损伤概率Pf为:

(7)

1.2 易损性分析的MSA方法

各等级损伤概率通过正态对数函数来表示[14]:

(8)

式中:IM为强度指标,在这里其为峰值加速度;β、θ分别是lnIM标准差和上述函数的中位数。

假定每次地震动作用下结构损伤情况互不干扰,即Zj～B(nj,Pj)。当IM=xj时,zj条地震动下筒体-环形组合厂房发生损伤的概率是:

(9)

式中:nj、zj、xj及Pf分别为地震动总量、发生损伤的地震动数量、地震动强度及每次地震下结构损伤概率。把所有Pf连乘即为似然估计函数:

(10)

式中:m是IM个数。将式(5)代入式(7)得:

likelihood=

(11)

根据式(11)得到θ、β的最大似然估计是:

(12)

2 AP1000堆型筒体-环形组合厂房参数及性能指标

2.1 实物模型的建立

AP1000堆型筒体-环形组合厂房长×宽×高为76.8 m×34.9 m×82.98 m,土体长×宽×高为279 m×181 m×78 m。结构混凝土采用塑性损伤本构模型,混凝土密度2 400 kg/m3、弹性模量35 GPa、泊松比为0.167、抗压强度为35 MPa、抗拉强度为2 MPa,断裂能为200 N/m。钢筋采用理想弹塑性本构模型,密度7 850 kg/m3、弹性模量200 GPa、泊松比为0.3、配筋率为1%,类型为HRB400。管道和内部反应器采用壳单元与质量单元模拟,梁、柱构件采用梁单元模拟,楼板、墙体选用壳单元模拟。重力水箱水位含水率为80%的标准水位。由于B31(铁木辛科梁)考滤了剪切变形的影响,适合模拟深梁和细长梁,因此选用该单元模拟柱梁构件,利用*rebar命令将钢筋插入梁柱单元内。由于S4R壳单元具有适用范围广、计算效率高和考虑剪切变形影响等特点,多被用于模拟多层复合材料,因此选用该单元模拟墙体、楼板和筒体结构。土体密度2 000 kg/m3、弹性模量1 350 MPa、泊松比为0.35,剪切波速为500 m/s。地基外边界设置无限元反映无限地基辐射阻尼作用,当从结构反射回来的波到达无限元表面时可自动透射,在底部无限元与有限元结合部输入地震波。

根据结构质量和设计频率,本文经计算选择387个GZY1100型隔震装置,每个装置等效刚度4 613 kN/m,等效阻尼比27.2%,屈服力376.8 kN,承受的竖向压力为5 608 kN,远小于装置基准竖向承载力9 503 kN。采用非线性弹簧与黏滞阻尼器的组合形式来模拟隔震装置,通过非线性弹簧阻尼器单元模拟水平位移限制器,保证隔震装置位移符合建筑抗震设计规范。图1为利用Abaqus软件构建的3D网格单元模型。

图1 3D网格单元模型的建立Fig.1 Establishment of 3D mesh element model

2.2 AP1000堆型筒体-环形组合厂房损伤等级的划分

在非线性分析时,采用材料应变作为损伤指标可以在地震反应分析中直观地描述其进入弹塑性阶段的损伤状态[15]。因此,钢筋、混凝土应变为本文衡量损伤的物理量,为此确定了如表1所列的四个损伤指标临界值。

表1 损伤指标临界值与损伤等级对应关系

3 AP1000堆型筒体-环形组合厂房损伤分析

3.1 地震动记录的选取

根据美国ATC-63[22]研究成果,分别选取了硬土场地上15组远场地震波和14组脉冲型近断层地震波,调制成0.2g到2.0g,步长0.2g的300组三向远场地震与280组三向近场地震,对有无隔震装置的筒体-环形组合厂房损伤进行研究。地震动从模型外边界以波动法输入。

3.2 近场地震下AP1000堆型筒体-环形组合厂房计算结果分析

图2为厂房混凝土最大压应变。在远场地震下,有隔震装置厂房地震反应低于无隔震装置厂房,隔震措施可以起到理想的效果;近场地震下,当地震强度小于1.2倍重力加速度时,隔震厂房最大应变明显小于无隔震厂房,但随着地震动强度的升高,两种建筑结构地震反应差距变小。

图2 有无隔震装置筒体-环形组合厂房数据点Fig.2 Damage data points of tube-ring hybrid workshop with and without isolation device

相比远场地震,近场地震厂房的地震反应更大。这是因为近场地震含有速度脉冲,使得它在地震初期向结构输入较大的能量,从而产生较大破坏。

图3为近场地震下筒体-环形组合厂房损伤概率。从图中能看出,近场地震下,随着峰值加速度升高,两种筒体-环形组合厂房的混凝土和钢筋轻微损伤基本上同步发生,而对于其他损伤等级而言,混凝土明显早于钢筋产生。整体上,混凝土损伤概率比钢筋要高,因此混凝土损伤概率就是整个厂房的损伤概率。

图3 近场地震下筒体-环形组合厂房损伤概率Fig.3 Damage probability of tube-ring hybrid workshop under near-field earthquake

图4为有无隔震装置的筒体-环形组合厂房的损伤概率。从中能发现,在0.2～2倍重力加速度区间内,近场地震作用下筒体-环形组合厂房损伤概率明显大于远场地震损伤概率。在远场地震作用下,除了倒塌损伤等级情况下隔震效果不明显,其他所有情况下隔震装置显著削弱了该结构的损伤;但是在近场地震作用下,8度罕遇地震下,隔震厂房相比非隔震厂房轻微破坏概率的降低幅度可达到6.6%;9度罕遇地震动下,隔震厂房轻微、中等破坏概率降幅分别为11.2%、3.9%;当PGA为0.8g时,隔震厂房轻微、中等、严重破坏概率降幅分别为7.2%、17.9%、2.5%。,但隔震效果远不如远场地震动显著,这是因为地震强度超过1.2g后,厂房和水平位移限制器产生软碰撞,对结构产生作用力,以及近场地震本身具有方向性效应和滑冲效应等特点,使得隔震效果降低。

图4 有无隔震装置筒体-环形组合厂房损伤曲线Fig.4 Damage curves of tube-ring hybrid workshop with and without isolation device

图5表示厂房在远场与近场地震下的损伤概率。从图中可以得出,近场地震下无隔震装置结构的损伤概率高于远场地震下结构损伤概率,相差幅度随着峰值加速度升高先增大后减小,最大相差幅度随性能指标的升级而增大;有隔震装置结构近场地震的损伤概率相比远场地震的增幅远大于无隔震装置结构,隔震装置加剧了近、远场地震下易损性之间的差距,这主要是因为隔震措施对于远场地震动作用效果明显,其大大降低了远场地震动作用下的易损性,而隔震装置对于近场地震的作用效果不如远场地震显著。

图5 筒体-环形组合厂房在近场与远场地震下的损伤曲线Fig.5 Comparison between damage curves of tube-ring hybrid workshop under near-field and far-field earthquakes

对于8度罕遇地震动,近、远场地震下隔震厂房轻微破坏概率分别为9.4%和0.7%;非隔震厂房轻微破坏概率分别为16.0%和3.9%。对于9度罕遇地震,近、远场地震下隔震厂房轻微破坏概率分别为57.2%和10.5%,中等破坏概率分别为1.2%和0.043%;非隔震厂房轻微破坏概率分别为68.4%和38.7%,中等破坏概率分别为5.1%和2.1%。

3.3 筒体-环形组合厂房倒塌损伤安全度分析

根据ATC-63[22],以结构第四等级损伤安全度(即倒塌损伤安全度)来衡量结构抗倒塌能力,公式为:

(10)

式中:DSL4、IM50%和IMMCE分别表示第四等级损伤安全度、50%概率发生第四等级损伤的峰值加速度和大震水准下的峰值加速度。

基于S-D准则和DM准则[23],得到Ncollapse/Ntotal(其中:Ntotal和Ncollapse分别为地震波总量和发生倒塌损伤的地震波数)。倒塌损伤概率为易损性方法计算结果与该比值的较大值。

图6表示近场和远场地震动下核岛厂房倒塌概率曲线。由图6和式(10)可以得出:

图6 筒体-环形组合厂房倒塌损伤曲线Fig.6 Collapse damage curve of tube-ring hybrid workshop

对于远场地震,8度设防烈度下无隔震装置筒体-环形组合厂房DSL4是4.80,有隔震装置结构略微高于4.8,9度设防烈度下有无隔震装置筒体-环形组合厂房DSL4分别是3.17与3.12;对于近场地震,8度设防烈度下有无隔震装置厂房DSL4分别是3.57与3.76,9度设防烈度下有无隔震装置厂房DSL4分别是2.29与2.44。

9度设防烈度下,对于无隔震装置厂房,近场地震下其倒塌损伤安全度相比远场地震下降了21.8%;对于有隔震装置厂房则下降了27.8%。无论在何种地震动作用下,其DSL4都大于ATC-63[18]规定的最小临限值2.25。

4 结论

本文采用两种分析方法对有无隔震装置筒体-环形组合厂房进行了地震损伤研究。结论如下:

(1) 近场地震下AP1000堆型厂房的损伤明显高于远场地震下的的损伤。

(2) 结构混凝土和钢筋的轻微损伤概率几乎相同,其他损伤等级概率混凝土明显大于钢筋,因此混凝土损伤指标代表整个结构的损伤状态,在结构破坏中占主导地位。

(3) 对于近场地震,基础隔震措施可有效降低AP1000堆型筒体-环形组合厂房的损伤,但降低程度要明显低于远场地震。

(4) 近场地震动下,有无隔震装置厂房第四等级损伤安全度都大于ATC-63规定的最小临界限值,并且在目前已知最大地震动强度范围内(0.96g)隔震厂房损伤概率显著小于无隔震厂房,具有较好的抗震性能,因此隔震厂房具有在硬土地基条件下近场区域里建设的可行性。