邢國雷，薛 濤

(國核電力規(guī)劃設計研究院，北京市100094)

0 引 言

在地震作用下電力系統(tǒng)應保障其抗震安全，發(fā)揮生命線的功能、及時提供電力供應、為抗震救災提供支持。核電廠主廠房結(jié)構(gòu)作為一種特種結(jié)構(gòu)，其抗震設計的重要性毋庸質(zhì)疑，在2011年3月日本大地震中，福島核電站出現(xiàn)的泄漏事件給日本乃至全世界的經(jīng)濟、社會等各方面都帶來了巨大的沖擊，確保核電廠相關結(jié)構(gòu)在地震中的安全是核電廠主廠房結(jié)構(gòu)抗震設計的首要目標。文獻［1］中提出常規(guī)島結(jié)構(gòu)鄰近核島，因而常規(guī)島的抗震性能要考慮對核島的影響，對于可能危及抗震Ⅰ類建筑各項功能的非安全級構(gòu)筑物，必須確保其在極限安全地震震動下不倒塌。因此，對核電廠主廠房結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下的抗震研究及破壞評估具有重要的現(xiàn)實意義。

采用動力彈塑性時程分析方法［2-3］，能夠計算地震反應全過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形形態(tài)，發(fā)現(xiàn)應力和塑性變形集中的部位，從而判別結(jié)構(gòu)的屈服機制、薄弱環(huán)節(jié)和可能破壞的類型，同時可以采用纖維模型方法計算的彎矩－曲率關系來描述結(jié)構(gòu)單元力與變形的變化關系［4-5］，因此被認為是最可靠的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法。目前，對核電廠主廠房結(jié)構(gòu)進行基于性能的抗震分析的研究并不多［6-7］。林生逸等［8-9］利用PERFORM－3D 非線性分析軟件對典型常規(guī)島主廠房整體結(jié)構(gòu)進行動力彈塑性時程分析，并參考基于性能的抗震規(guī)程FEMA356［10］制定構(gòu)件變形性能指標，對構(gòu)件的變形響應進行評估，最后針對主廠房的抗震性能給出了相應的設計建議。張琴等［11］針對核電廠常規(guī)島廠房這種特殊的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)，提出了常規(guī)島廠房的抗震性能目標、性能水準以及實施抗震性能設計的方法，并用工程實例說明如何應用這一理念，證明了核電常規(guī)島廠房采用基于性能抗震設計方法的可行性。宋遠齊等［12-13］運用基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設計方法，對大型電廠框排架結(jié)構(gòu)進行靜力彈塑性地震反應分析，研究該類結(jié)構(gòu)的整體抗震能力和破壞過程。結(jié)果表明，主廠房框排架結(jié)構(gòu)在7 度罕遇地震作用下能滿足變形要求，但結(jié)構(gòu)存在較多的薄弱環(huán)節(jié)，在設計時應引起高度重視。本文以某1 000 MW 機組核電廠主廠房鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)為研究對象，對其抗震性能進行評估，為核電廠主廠房結(jié)構(gòu)的合理設計提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)分析模型

某1 000 MW 核電廠，主廠房橫向為鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)，縱向為框架結(jié)構(gòu)，共5 層(頂部為屋架層)。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件(鋼屋架、汽輪機部分鋼結(jié)構(gòu))與混凝土框架構(gòu)件連接處為鉸接，鋼屋架內(nèi)部斜撐為鉸接，其他都為剛接。本工程的設計使用年限為50年，抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.15 g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，抗震等級為一級。

2 地震動的選取

GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定:進行時程分析時需采用不少于2 組實際強震記錄和1 組人工模擬加速度時程曲線［14］。基于上述要求，本工程選用了2 組天然地震動記錄和1 組人工波進行了時程分析，主、次方向地震波強度比按1∶ 0.85 確定，罕遇地震峰值加速度取310 cm/s2。圖1 分別給出了3 組地震波對應的加速度譜(5%阻尼比)，頻譜分析表明所選地震波頻譜特性滿足要求，可以看出這3 組波反應譜與規(guī)范反應譜在關鍵周期點吻合得較好。

圖1 地震波頻譜特征Fig.1 Spectral characteristics of seismic wave

3 結(jié)構(gòu)的動力特性

核電廠主廠房結(jié)構(gòu)的振型質(zhì)量參與系數(shù)如表1所示，由表1 可知:

(1)第1 階振型為縱向平動，存在一定程度的繞z 軸轉(zhuǎn)動，其縱向質(zhì)量參與系數(shù)為73%，該振型在頂層的x 向最大位移是層位移平均值的1.09 倍，該方向扭轉(zhuǎn)可以認為還是較規(guī)則的。

(2)第2 階振型為橫向平動，存在一定程度的繞z 軸轉(zhuǎn)動，其縱向質(zhì)量參與系數(shù)為64%，該振型在頂層y 向最大位移是層位移平均值的1.49 倍，按照GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》的規(guī)定，橫向存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

(3)第3 階振型為繞z 軸的轉(zhuǎn)動。

4 結(jié)構(gòu)反應譜分析

在分析核電廠主廠房結(jié)構(gòu)動力特性的基礎上，采用振型分解反應譜法對其進行地震作用分析。由于核電廠主廠房結(jié)構(gòu)的x 方向尺度遠遠大于y 方向，y方向的地震力起控制作用，所以表2 僅給出了y 向反應譜作用下的層位移和層間位移角的分布。由表2可知:主廠房結(jié)構(gòu)在反應譜作用下，層位移的最大值為12.1 mm，滿足工程要求，層間位移角的最大值為1/617，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂層，滿足規(guī)范規(guī)定的1/550 的限值要求。

表1 鋼筋混凝土主廠房的振型質(zhì)量參與系數(shù)Tab.1 Structural modal mass participation factor of reinforced concrete main workshop

表2 x 向反應譜作用下各樓層層位移和層間位移角Tab.2 Each floor layer displacement and interlayer displacement angle under response spectrum in x direction

5 結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析

采用大型通用有限元軟件ABAQUS 考察常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)大震作用下的抗震性能［15-16］，研究各部件進入彈塑性階段的順序、損傷程度和分布，在此基礎上提出對原結(jié)構(gòu)方案的意見和建議?？蚣芙Y(jié)構(gòu)彈塑性階段的抗震能力體現(xiàn)在變形承受能力上，包括:

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形是否在其可承受范圍之內(nèi)，主要指框架構(gòu)件(梁、柱、支撐)截面的塑性變形。

(2)層間位移角(輸出各層對角角點的位移時程，然后計算層間位移角時程，取最大值。由于結(jié)構(gòu)可能存在偏心，不能取質(zhì)心處，需考察同層中x、y 方向各相對2 點)是否在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)。

5.1 ABAQUS 彈塑性模型簡介

5.1.1 單元

(1)梁、柱桿件:采用纖維梁單元，梁柱鋼筋直接讀取根據(jù)性能目標所對應的SATWE 設計配筋面積后布于截面。

(2)模型中未包括樓板單元，用2 種途徑考慮樓板單元的作用:①基于剛性樓板假定將同層節(jié)點水平自由度約束起來;②對于考慮剛度放大的中梁和邊梁增加梁翼緣，做成T 型梁。

(3)恒活荷載以質(zhì)量點的形式施加于梁節(jié)點上。

5.1.2 計算工況

在ABAQUS 的計算模型中輸入與規(guī)范譜標定的1 組人工波和2 組天然波。每組輸入包括x、y 水平雙向地震記錄，地震波主方向考慮2 種情況，分別作用于結(jié)構(gòu)縱橫向，共6 種地震動輸入工況。

由于樓層平面可能會存在扭轉(zhuǎn)，因而在計算層位移和層間位移角時在每樓層平面中選擇4個點提取位移時程，如圖2 所示。其中上、下部節(jié)點主要用于計算結(jié)構(gòu)在x 方向的位移角和側(cè)移，左、右端節(jié)點用于計算y 向的位移角和側(cè)移。

圖2 位移參考點示意Fig.2 Displacement reference point

5.1.3 材料

(1)鋼筋:采用Clough 三線性模型(如圖3 所示)?？紤]包辛格效應，在循環(huán)過程中考慮了剛度退化，以此來模擬鋼筋與混凝土的聯(lián)結(jié)滑移效果。

圖3 鋼筋的clough 三線性模型Fig.3 Clough three linear model of reinforcement

(2)混凝土:采用混凝土單軸本構(gòu)模型與美國太平洋地震工程中心開發(fā)的 OPENSEES 中的concrete02 模型相同，其受壓骨架線如圖4 所示。

圖4 混凝土骨架曲線Fig.4 Concrete skeleton curve

5.2 ABAQUS 彈塑性分析結(jié)果

5.2.1 宏觀結(jié)果

圖5 給出的是天然波II(該波破壞力最強)主方向作用于縱向的層間位移角和層位移曲線，從圖5 可以看出:(1)天然波II 作用下，結(jié)構(gòu)縱、橫向框架層間位移角的最大值分別為1/62 和1/113，均小于規(guī)范要求的1/50，滿足規(guī)范要求;結(jié)構(gòu)縱、橫向框架層位移的最大值分別為258，201 mm，滿足業(yè)主關于側(cè)移不大于300 mm 的要求。

(2)在縱向框架中，頂層為薄弱層，這一方面是由于頂層鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件之間是按鉸接計算的，另外一方面可能是由于第4 層沒有樓板的原因;橫向框排架的較大層間位移角出現(xiàn)在第4、5 層。

(3)按照GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》［14］關于結(jié)構(gòu)整體性能目標的說明:結(jié)構(gòu)縱向框架的最大層間位移角為1/92 ～1/52，其中頂層層間位移角較大，其抗震性能基本能夠達到性能目標4 的要求，其他層可以很好地達到性能目標4;橫向框架各層都能達到性能目標3 的要求，延性較好。

圖5 結(jié)構(gòu)層間位移角和層位移曲線Fig.5 Curves of structural layer displacement angle and displacement

5.2.2 構(gòu)件損傷

本文采用如下方式定義構(gòu)件的損傷階段:

(1)當構(gòu)件變形處于彈性設計和屈服位移之間時，為剛輕微損傷(如圖6 所示)，在地震結(jié)束后，可以馬上使用，用圓形表示。

(2)當構(gòu)件變形處于屈服位移和近似極限荷載對應位移之間時為中度損傷，在此階段構(gòu)件仍具有使用功能，結(jié)構(gòu)不會倒塌，人生命是安全的，用正方形表示。

(3)當構(gòu)件變形處于彈性位移限值和彈塑性極限位移的50%和90%的極限位移之間時，構(gòu)件為較嚴重損傷，要防止結(jié)構(gòu)倒塌，用三角形表示。

(4)當構(gòu)件變形大于90%極限變形時，構(gòu)件嚴重破壞，用五角形表示。

圖6 給出的是天然波II 作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞情況，縱向按D-F 列、橫向按1 －2、4 軸取出各典型框架，圖中標出了框架所在的位置、標高以及不同標記所代表的意義。

從圖6 可看出:

(1)構(gòu)件損傷程度不高，沒有構(gòu)件損傷達到較嚴重破壞階段，結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部滿足極限承載力要求。

(2)縱向框架的損傷程度比橫向框架嚴重，破壞主要集中于E、F 列，其原因可能是E、F 列在第4 層無樓板且柱截面也有所減小，結(jié)構(gòu)整體水平剛度弱于下部。

(3)底層框架柱中，有一部分柱較長，此部分柱完全沒有損傷，其原因可能是由于同層較短的柱側(cè)移剛度大于較長柱，損傷集中于前者。這表明為發(fā)揮同層柱的抗側(cè)功能，宜在變長度柱位置增大截面或設置地梁。

6 結(jié) 論

(1)由于常規(guī)島主廠房內(nèi)部多錯層，結(jié)構(gòu)局部樓層在地震作用下層間位移角有所突變，形成薄弱層，在設計時應引起重視。針對結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的薄弱層，建議采用以下2 種方法予以加強:

①增加上部柱的截面，使其與下部一致。

②通過增加配筋率或設置鋼骨來提高上部柱的耗能能力。

(2)構(gòu)件損傷較嚴重的部位主要集中在底層、第4 層柱底位置和第5 層柱頂位置，但損傷程度最大為中度損傷，均未超過構(gòu)件的最大承載力;在7 度罕遇地震作用下，核電廠主廠房結(jié)構(gòu)的整體抗震性能和各類構(gòu)件的抗震性能均滿足設計要求，能夠滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。

圖6 典型框架的損傷情況Fig.6 Damage of typical framework

(3)本文中核電廠主廠房結(jié)構(gòu)沒有設置剪力墻或柱間支撐，為工藝設備和管道的布置提供了更大的空間。但主廠房結(jié)構(gòu)為不規(guī)則框排架結(jié)構(gòu)，橫向框架的抗震性能明顯優(yōu)于縱向框架，考慮扭轉(zhuǎn)效應對此類結(jié)構(gòu)抗震性能的影響還有待進一步研究。

［1］尹春明，錢萍．新型核電站常規(guī)島結(jié)構(gòu)設計發(fā)展分析［J］． 電力勘測設計，2010(2):67-72．

［2］曲哲，葉列平，潘鵬．建筑結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析中地震動記錄選取方法的比較研究［J］．土木工程學報，2011，44(7):10-21．

［3］黃忠海，廖耘，李盛勇，等．廣州珠江新城東塔罕遇地震作用彈塑性分析［J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，2012，33(11):82-90．

［4］Penizen J． Dynamic response of elasto2 plastic frames［J］．Journal of Structural Division，ASCE，1962，88:1322-1340．

［5］Takeda T，Sozen M A，Nielson N N．Reinforced concrete response to simulated earthquakes［J］． Journal of Structural Division，ASCE，1970，96(ST12):2557-2572．

［6］Guidelines for seismic performance evaluation of reinforced concrete buildings［S］．Architectural Institute of Japan，2004．

［7］Seismic design of reinforced concrete structures for controlled inelastic response (design concepts)［S］．Comite Euro-International du Beton-CEB，2003．

［8］林生逸，彭雪平，韓小雷，等． 核電站常規(guī)島主廠房基于性能的抗震分析［J］．地震工程與工程振動，2011，31(5):50-59．

［9］林生逸． 基于PERFORM －3D 的常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析［J］．武漢大學學報:工學版，2013，46(S1):103-107．

［10］FEMA 356． Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings［S］． Federal Emergency Management Agency，2000．

［11］張琴，張揚，周向群，等．核電廠常規(guī)島廠房結(jié)構(gòu)基于性能抗震設計的方法［J］．工業(yè)建筑，2010，40(4):51-55．

［12］宋遠齊，汪小剛，溫彥鋒，等．大型火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)彈塑性時程反應分析［J］．工業(yè)建筑，2010，40(1):51-54．

［13］宋遠齊，汪小剛，溫彥鋒，等．大型火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)靜力彈塑性地震反應分析［J］．電力建設，2009，30(5):59-62．

［14］GB 50011—2010 建筑抗震設計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［15］汪大綏，李志山，李承銘，等． 復雜結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析在ABAQUS 軟件中的實現(xiàn)［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2007，37(5):92-96．

［16］楊先橋，傅學怡，黃用軍． 深圳平安金融中心塔樓動力彈塑性分析［J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，2012，32(7):40-49．