不同地基條件下核島結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征研究

倪 恒，劉翔宇，劉飛成(.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 00094； .西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 6003)

不同地基條件下核島結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征研究

倪 恒1，劉翔宇1，劉飛成2
(1.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

建立不同地基條件下AP1000核島結(jié)構(gòu)的分析模型，對(duì)計(jì)算模型作用3種人工地震波，并對(duì)各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。研究結(jié)果表明：軟土和硬巖地基條件下，核島結(jié)構(gòu)從下到上，水平向PGA放大系數(shù)先減小后增大，而豎向PGA放大系數(shù)幾乎保持不變。對(duì)于AP1000核島結(jié)構(gòu)的水平向PGA放大系數(shù)表現(xiàn)為軟土場(chǎng)地>硬巖場(chǎng)地，而垂直向PGA放大系數(shù)表現(xiàn)為軟土場(chǎng)地<硬巖場(chǎng)地；軟土場(chǎng)地和硬巖場(chǎng)地條件下核島結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)譜均表現(xiàn)出單峰特征，水平向軟土場(chǎng)地的反應(yīng)譜峰值大于硬巖場(chǎng)地，垂直向軟土場(chǎng)地的反應(yīng)譜峰值小于硬巖場(chǎng)地。本文的研究成果對(duì)認(rèn)識(shí)AP1000核島結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)具有一定的指導(dǎo)意義。

AP1000；核島結(jié)構(gòu)；PGA放大系數(shù)；反應(yīng)譜

20世紀(jì)60年代世界范圍內(nèi)核電得到了蓬勃的發(fā)展，但在經(jīng)過(guò)兩次核電事故后，核電發(fā)展放緩，部分國(guó)家甚至終止了本國(guó)核電的發(fā)展[1]。在國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下，核電技術(shù)不斷得到發(fā)展和完善，90年代開(kāi)發(fā)的第三代(Gen Ⅲ)核電技術(shù)，在安全性和經(jīng)濟(jì)性上得到了極大改進(jìn)[2]。AP1000是美國(guó)西屋公司在非能動(dòng)先進(jìn)壓水堆AP600的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的二回路壓水反應(yīng)堆，是第三代核電堆型[3]。2015年是中國(guó)的核電重啟之年，以華龍一號(hào)、AP1000、CAP1000為代表的第三代核電技術(shù)將引領(lǐng)我國(guó)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的核電發(fā)展方向。自AP1000引入我國(guó)以來(lái)，已經(jīng)有較多的學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了針對(duì)性的研究。臧明昌[4]對(duì)AP1000的發(fā)展歷程進(jìn)行了梳理；黃來(lái)等人[5]對(duì)AP1000的核島技術(shù)進(jìn)行了探究；王永峰等人[6]對(duì)其關(guān)鍵設(shè)備的制造及國(guó)有化進(jìn)行了分析；劉立欣等人[7]對(duì)其典型的運(yùn)行瞬態(tài)進(jìn)行了研究；孫文濤等人[8]建立了用于AP1000的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析動(dòng)態(tài)模型。近些年，部分學(xué)者又將目光投向了AP1000核電站的抗震安全。刑國(guó)雷等人[9]對(duì)其常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)進(jìn)行了分析；高夢(mèng)夢(mèng)等人[10]考慮FSI對(duì)其屏蔽結(jié)構(gòu)的地震易損性進(jìn)行了研究；李忠誠(chéng)等人[11]對(duì)其進(jìn)行了抗震分析。上述研究雖然對(duì)AP1000的抗震性能進(jìn)行了探索，但是還很不夠。本文針對(duì)AP1000的核島結(jié)構(gòu)建立兩種不同地基條件下的分析模型，對(duì)地震作用下其加速度響應(yīng)特征和反應(yīng)譜特征進(jìn)行探究，以期對(duì)AP1000的抗震設(shè)計(jì)和地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

1 計(jì)算模型

AP1000核電廠包含5個(gè)主要廠房結(jié)構(gòu)，包括核島結(jié)構(gòu)、汽輪機(jī)廠房、輔助廠房、柴油機(jī)廠房和放廢廠房。本文研究對(duì)象為AP1000的核島結(jié)構(gòu)模型。AP1000核島結(jié)構(gòu)包括安全殼廠房、屏蔽廠房和輔助廠房，這些結(jié)構(gòu)坐落在同一基礎(chǔ)。計(jì)算中將AP1000簡(jiǎn)化為多質(zhì)點(diǎn)簡(jiǎn)化體系，其中模型的主要質(zhì)量點(diǎn)選擇在結(jié)構(gòu)的主要樓層或者結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置。考慮結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心位置不同引起的偏心，該偏心使用水平向梁連接質(zhì)量點(diǎn)與豎直向結(jié)構(gòu)梁進(jìn)行模擬。每個(gè)廠房的集中質(zhì)量點(diǎn)與其他結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧嗷ミB接構(gòu)成整個(gè)核島結(jié)構(gòu)的動(dòng)力模型，該模型包括屏蔽廠房、輔助廠房、鋼安全殼、吊車(chē)梁、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、反應(yīng)堆冷卻循環(huán)系統(tǒng)(包括兩個(gè)蒸汽發(fā)生器和一個(gè)穩(wěn)壓器)；反應(yīng)堆冷卻循環(huán)系統(tǒng)耦合在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上；吊車(chē)梁耦合在鋼安全殼上；其他質(zhì)量小于相應(yīng)支撐核島結(jié)構(gòu)質(zhì)量1 %的子系統(tǒng)和設(shè)備作為集中質(zhì)量點(diǎn)耦合于簡(jiǎn)化模型中。

相關(guān)研究表明，對(duì)于核島結(jié)構(gòu)而言，臨近建筑結(jié)構(gòu)物的存在對(duì)核島地震響應(yīng)的影響很小，基于此，在進(jìn)行AP1000地震響應(yīng)分析時(shí)，不考慮臨近建筑結(jié)構(gòu)的影響。故本次分析在考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用，主要針對(duì)安全殼廠房(鋼安全殼和安全殼內(nèi)部結(jié)構(gòu))進(jìn)行地震響應(yīng)分析。一般來(lái)說(shuō)鋼質(zhì)安全殼廠房是一個(gè)獨(dú)立的、圓筒狀、上下兩端都有橢圓頂?shù)妮S對(duì)稱鋼殼結(jié)構(gòu)(圖1)，基于軸對(duì)稱殼模型，可以利用簡(jiǎn)化質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬。為了驗(yàn)證簡(jiǎn)化多質(zhì)點(diǎn)模型的合理性，分別將簡(jiǎn)化多質(zhì)點(diǎn)模型和殼單元模型的動(dòng)力特性列于表1。

表1 不同模型中的安全殼廠房的自振頻率比較

通過(guò)表1可以看出，簡(jiǎn)化多質(zhì)點(diǎn)模型與殼單元改進(jìn)模型的第1模態(tài)和第2模態(tài)的豎直方向和水平方向的自振頻率比較接近，說(shuō)明簡(jiǎn)化多質(zhì)點(diǎn)模型可以很好的模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，即能很好的模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。本次分析重點(diǎn)是關(guān)注安全殼廠房?jī)?nèi)部密封圓筒罐的動(dòng)力響應(yīng)，故根據(jù)AP1000的相關(guān)設(shè)計(jì)文件可以得到，安全殼廠房?jī)?nèi)部的密封鋼圓筒罐高度為65.633 m，密封圓筒罐中的回轉(zhuǎn)吊車(chē)以及吊車(chē)梁的高程在140.691 m，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際密封圓筒罐中的結(jié)構(gòu)分布，利用多質(zhì)點(diǎn)與桿件體系對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的示意圖如圖2所示。

圖1 AP1000示意

圖2 簡(jiǎn)化多質(zhì)點(diǎn)體系示意

通過(guò)圖2可以看出，簡(jiǎn)化多質(zhì)點(diǎn)體系共有20個(gè)質(zhì)點(diǎn)，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的編號(hào)如圖2所示。下面將20個(gè)質(zhì)點(diǎn)的有效質(zhì)量以及自振頻率列于表2。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)文件，當(dāng)?shù)乇硗翆拥募羟胁ㄋ贋?04.8 m/s時(shí)，在進(jìn)行地震分析時(shí)須考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用。且AP1000所在的土層有如下要求：對(duì)于軟土場(chǎng)地，地表層的剪切波速最小為304.8 m/s，且隨著深度增加線性增大，直至地表以下73.152 m(達(dá)到2 438 m/s)，而基礎(chǔ)深度為36.576 m，同時(shí)將基礎(chǔ)簡(jiǎn)化為用3個(gè)質(zhì)點(diǎn)代替，將3個(gè)質(zhì)點(diǎn)的高度分別設(shè)在基礎(chǔ)1/6、3/6以及5/6高度處(即地表以下6.1 m、18.3 m、30.5 m)，輸入的地震波從基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)輸入，輸入的地震波峰值為0.3g。

表2 簡(jiǎn)化多質(zhì)點(diǎn)體系的質(zhì)點(diǎn)性質(zhì)

對(duì)于軟土地基，計(jì)算采用的3個(gè)基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)處土體參數(shù)分別為：(1)彈性模量E為0.91 GPa，泊松比為0.25，密度為2.3 g/cm3，土體剪切波速為393.82 m/s；(2)彈性模量E為1.92 GPa，泊松比為0.25，密度為2.3 g/cm3，土體剪切波速為572.04 m/s；(3)彈性模量E為3.3 GPa，泊松比為0.25，密度為2.3 g/cm3，土體剪切波速為749.96 m/s。在基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)上設(shè)置邊界彈簧，模擬周?chē)馏w的約束作用，阻尼采用瑞利阻尼。計(jì)算得到各個(gè)彈簧的剛度和阻尼如表3所示。

表3 軟土地基彈簧的剛度和阻尼

對(duì)于硬巖場(chǎng)地，計(jì)算采用的基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)處土體參數(shù)為：彈性模量E為33.5 GPa，泊松比為0.25，密度為2.3 g/cm3，土體剪切波速為2 343.07 m/s。計(jì)算得到彈簧的剛度和阻尼如表4所示。

表4 硬巖場(chǎng)地彈簧的剛度和阻尼

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 PGA放大系數(shù)分析

本文關(guān)注的是地震波作用下AP1000核島結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。吊車(chē)橫梁作為附屬結(jié)構(gòu)，本文不作分析，因此本文只分析1～14號(hào)質(zhì)點(diǎn)的地震響應(yīng)。3種人工波作用下軟土地基和硬巖地基上1～14號(hào)質(zhì)點(diǎn)的PGA放大系數(shù)如圖3、圖4所示。PGA放大系數(shù)指各個(gè)質(zhì)點(diǎn)實(shí)測(cè)地震波時(shí)程峰值與輸入地震波峰值之比。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向圖3 軟土地基AP1000核島結(jié)構(gòu)PGA放大系數(shù)

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向圖4 硬巖地基AP1000核島結(jié)構(gòu)PGA放大系數(shù)

圖3、圖4表明，3種地震波作用下，軟土地基和硬巖地基上AP1000核島結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出類(lèi)似的響應(yīng)。水平方向(x向和y向)PGA放大系數(shù)最大值出現(xiàn)在第14號(hào)質(zhì)點(diǎn)處，即結(jié)構(gòu)物的頂端，PGA放大系數(shù)最小值出現(xiàn)在11號(hào)質(zhì)點(diǎn)處。x方向可以近似認(rèn)為6號(hào)質(zhì)點(diǎn)以上PGA放大系數(shù)大于1，6號(hào)質(zhì)點(diǎn)以下PGA放大系數(shù)小于1；而y方向則近似表現(xiàn)為7號(hào)質(zhì)點(diǎn)以上PGA放大系數(shù)大于1，7號(hào)質(zhì)點(diǎn)以下PGA放大系數(shù)小于1；在垂直z方向，1～14號(hào)質(zhì)點(diǎn)的PGA放大系數(shù)幾乎不隨高程而發(fā)生變化。

比較軟土場(chǎng)地和硬巖場(chǎng)地上AP1000核島結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)可以看出，軟土場(chǎng)地和硬巖場(chǎng)地上AP1000核島結(jié)構(gòu)的水平向和豎向PGA放大系數(shù)隨高程變化規(guī)律一致，具體表現(xiàn)為：從下到上，水平向PGA放大系數(shù)先減小隨后增大，尤其在吊車(chē)橫梁以上水平向PGA放大系數(shù)明顯增大，而豎向PGA放大系數(shù)幾乎保持不變。對(duì)于AP1000核島結(jié)構(gòu)的水平向PGA放大系數(shù)表現(xiàn)為軟土場(chǎng)地>硬巖場(chǎng)地，而垂直向PGA放大系數(shù)表現(xiàn)為軟土場(chǎng)地<硬巖場(chǎng)地。

2.2 反應(yīng)譜分析

3種不同地震波作用下14號(hào)質(zhì)點(diǎn)(結(jié)構(gòu)頂部)的反應(yīng)譜如圖5、圖6所示。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向圖5 3種地震波作用下軟土場(chǎng)地加速度反應(yīng)譜

對(duì)于軟土場(chǎng)地，通過(guò)3種地震波作用下結(jié)構(gòu)頂部質(zhì)點(diǎn)的三向加速度反應(yīng)譜圖可以看出，x向和y向加速度反應(yīng)譜都表現(xiàn)出明顯的單峰特性，其中x向特征周期為1.74 s，y向特征周期為1.48 s。對(duì)于z向加速度反應(yīng)譜，RG1.60人工波和AP1000規(guī)定地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜人工波作用下的豎向加速度反應(yīng)譜較吻合，總體上均小于核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范人工波作用下的豎向加速度反應(yīng)譜值。

對(duì)于硬巖場(chǎng)地，通過(guò)3種地震波作用下結(jié)構(gòu)頂部質(zhì)點(diǎn)的三向加速度反應(yīng)譜圖可以看出，3種地震波作用下x向、y向加速度反應(yīng)譜表現(xiàn)出單峰特性，x向特征周期約為2.20 s，y向特征周期約為1.55 s。對(duì)于z向加速度反應(yīng)譜，當(dāng)周期小于特征周期時(shí)，反應(yīng)譜值表現(xiàn)為核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范人工波>AP1000規(guī)定地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜人工波>RG1.60人工波，當(dāng)周期大于特征周期時(shí)，3種地震波作用下反應(yīng)譜幅值較接近。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向圖6 3種地震波作用下硬巖場(chǎng)地加速度反應(yīng)譜

對(duì)比軟土場(chǎng)地和硬巖場(chǎng)地AP1000核島結(jié)構(gòu)體系頂部質(zhì)點(diǎn)的反應(yīng)譜峰值可以發(fā)現(xiàn)，水平方向軟土場(chǎng)地的反應(yīng)譜峰值大于硬巖場(chǎng)地，垂直方向軟土場(chǎng)地的反應(yīng)譜峰值小于硬巖場(chǎng)地。

3 結(jié)論

通過(guò)本文的研究，可以得到以下一些結(jié)論。

(1)AP1000核島結(jié)構(gòu)自下而上水平向PGA放大系數(shù)先減小后增大，結(jié)構(gòu)頂部放大系數(shù)最大，垂直向PGA放大系數(shù)幾乎不隨高程發(fā)生變化。

(2)地基條件對(duì)AP1000核島結(jié)構(gòu)的PGA放大系數(shù)具有較大的影響，水平向表現(xiàn)為軟土場(chǎng)地>硬巖場(chǎng)地，垂直向表現(xiàn)為軟土場(chǎng)地<硬巖場(chǎng)地。

(3)水平x向和y向的加速度反應(yīng)譜表現(xiàn)為單峰特征，水平方向軟土場(chǎng)地的反應(yīng)譜峰值大于硬巖場(chǎng)地，垂直方向軟土場(chǎng)地的反應(yīng)譜峰值小于硬巖場(chǎng)地。

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倪恒(1977～)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電力行業(yè)巖土工程方面的研究。

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[定稿日期]2016-08-30