范世凱，譚 平，劉德穩(wěn)，周福霖

(廣州大學減震控制與結構安全國家重點實驗室培育基地，廣東 廣州 510405）

0 引言

應急指揮中心是核電廠應對緊急核事故而專設的指揮中心，主要作用是在處理應急核事故期間，為應急指揮工作人員提供工作場所，在保證人員安全的前提下處理核事故。在3.11日本地震引發(fā)的福島核電站事故中，核電廠應急指揮中心在應急搶險和指揮中發(fā)揮了重大作用。我國核安全局在福島核電站后要求發(fā)生事故時，核電站應急指揮中心構筑物要保持整體的完整性，不受相鄰建筑物的影響，且設計時應滿足應急響應期間的可居留性要求[1]?；A隔震是目前應用比較成熟的一種可有效降低結構物地震反應的技術[2]，它是通過在結構的地基與上部結構之間設置隔震層，通過隔震層的耗能而減少了地震產生的能量向地上建筑物的傳輸，保障結構在地震下的安全。謝禮立等[3]對隔震技術在核電工程領域的應用的可行性作了系統(tǒng)的總結與介紹。本文對某核電廠應急指揮中心大樓進行了基礎隔震設計，分析基礎隔震效果，建立結構樓層反應譜，將隔震結構與抗震結構的樓層反應譜和設備廠家提供的目標譜進行對比分析。

1 工程概況

某核電站指揮應急指揮中心建筑類別為甲類，地區(qū)抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，場地類別II類，基本風壓為0.98 kN/m2，地面粗糙度為A類結構上部兩層為剪力墻結構，層高分別為4.8 m和4.5 m，隔震層設置在基礎頂面，層高為2 m，采用ETABS建立結構的有限元模型，見圖1。

圖1 ETABS有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model of ETABS

2 隔震設計

《疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程》[4]規(guī)定，甲類建筑隔震支座的長期面壓控制在10 Mp以下，基于上述原則，再根據結構隔震層每個支座承擔的荷載來選取支座直徑，每個支座的長期面壓控制在5～10 Mp之間，最終選取的直徑為500 mm和600 mm，支座型號為 LRB500、LNR500、LRB600和LNR600，支座的力學參數見表1，支座布置見圖2。

表1 橡膠隔震支座力學參數Table1 The mechanical parameters of rubber bearings

隔震支座布置時，盡量使鉛芯型橡膠支座（LRB）布置在結構的外圍，而天然橡膠支座（LNR）布置在內部，支座的布置見圖2。經計算，結構屈重比為2.3%，結構X向和Y向的偏心率分別為1.69%、0.1%，隔震結構偏心很小。對隔震結構，在設計風荷載作用下，隔震結構應不產生水平位移，即要求隔震結構所受風荷載的設計值應小于隔震結構各支座的屈服力之和。計算結構風荷載設計值為784 kN，小于隔震層屈服力1 439.9 kN，滿足抗風要求。

圖2 隔震支座布置圖Fig.2 Diagram of bearings configuration

隔震前后結構的自振特性對比見表2，結構基本周期從0.082 1 s增大到2.279 9 s，周期增大明顯，隔震后結構前兩階振型為整體平動，第三階為扭轉，模態(tài)質量參與系數達到99.9%，高階振型對結構影響較小。

需要說明的是，表2中抗震結構與隔震結構的不同之處在于第一層的豎向承力構件，在進行分析時，抗震結構的第一層是由混凝土柱子組成，而隔震結構的第一層是由隔震支座來模擬，兩種結構中梁和剪力墻的尺寸、布置等完全一樣。

表2 抗震結構與隔震結構自振特性Table 2 Modal analysis of seismic and isolated structure

3 隔震效果分析

3.1 地震動輸入

本文所采用的地震動輸入分為兩組，見表3。第一組為根據核電站RG1.60標準譜擬合得到的地震波[5]，包括2條水平方向地震波和1條豎向輸入地震波，用于橡膠支座面壓和位移的驗算。第二組為按照廠址特定SL-2級地面運動基巖水平向和豎直向加速度反應譜，擬合多阻尼目標反應譜所得到的人工地震波，也包括2條水平方向地震波和1條豎向輸入地震波，用于計算結構的樓層反應譜。兩組地震波均三向輸入，分為2個工況，分別為S1S2Sz和A1A2Az。圖3為第一組三條地震波頻譜圖，圖4為第二組三條地震波頻譜圖。

3.2 隔震反應分析

工況S1S2Sz作用下，隔震結構與抗震結構上部樓層水平方向剪力對比見圖5，剪力比最大值為0.26，上部結構的減震效果達到74%。工況A1A2Az作用下，隔震結構與抗震結構上部樓層水平方向剪力對比見圖6，剪力比最大值為0.18，上部結構的減震效果達到82%。根據抗震規(guī)范規(guī)定，結構減震系數為0.26，隔震后結構的水平地震作用比非隔震結構時降低了一度，大大提高結構的安全儲備。

表3 選用地震波Table 3 Selection of seismic waves

圖3 第一組地震波頻譜圖Fig.3 Frequency spectrum of ground motion in the first group

圖4 第二組地震波頻譜圖Fig.4 Frequency spectrum of ground motion in the second group

圖5 工況S1S2Sz上部結構樓層剪力Fig.5 Shears of the upper-structures under S1S2Sz

圖6 工況A1A2Az上部結構樓層剪力Fig.6 Shears of the upper-structures under A1A2Az

非隔震結構與隔震結構頂層絕對加速度時程曲線對比見圖7，頂層相對位移時程曲線對比見圖8，從圖中可看出，隔震后結構頂層絕對加速度和層間位移明顯減小，隔震效果明顯。

圖7 頂層絕對加速度對比Fig.7 Comparison of the roof acceleration

圖8 頂層層間位移對比Fig.8 Comparison of the roof displacement

根據《疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程》[4]規(guī)定，支座的最大容許位移為0.55 D和3Tr兩者的較小值，據此計算得到的支座最大容許位移275 mm。工況S1S2Sz作用下，隔震層最大位移為259 mm，小于最大容許位移，滿足規(guī)范要求。支座短期極大面壓為14.6 Mp，短期極小面壓為2.09 Mp，支座不受拉，滿足規(guī)范要求。

4 樓層反應譜分析

樓層反應譜（FRS）是核電廠房主結構和設備子系統(tǒng)抗震設計的主要依據。本文基于時程法建立結構各層的樓層反應譜。為了考慮輸入參數、結構模型和計算方法上的不確定性引起的結構主頻的不確定性，參考核電廠設計規(guī)范GB50267-97[6]的做法，對計算的樓層反應譜在峰值處按15%進行拓寬。選取每一層加速度反應最大點為對象，建立抗震和隔震結構的樓層反應譜，包括水平和豎向樓層反應譜，阻尼比取0.05。

圖9為隔震層水平方向的樓層反應譜，從圖中可看出，隔震結構樓層反應譜在大于1Hz時遠遠小于目標譜和抗震結構反應譜，但在小于1Hz的低頻段隔震反應譜要大于目標譜和抗震結構反應譜，這是由于隔震是通過增大結構的周期來降低結構的地震反應，對低頻段長周期的結構不起作用。

圖10為隔震層豎向的樓層反應譜，從圖中可看出，隔震結構和抗震結構在低頻段均與目標譜相差不大，但在高頻段均大于目標譜，且隔震結構反應譜要大于抗震結構，這主要是由于隔震支座豎向剛度較大，不能降低結構的豎向地震反應。

圖11為地上一層水平方向的樓層反應譜，從圖中可得，隔震反應譜值在大于1Hz時遠遠小于目標譜值，而抗震譜在峰值處要大于目標譜。圖12為地上一層豎向的樓層反應譜，從圖中可得，在高頻段抗震結構和隔震結構反應譜均小于目標譜，但隔震結構反應譜峰值要大于抗震結構反應譜峰值，隔震后稍微放大了結構的豎向地震反應。

圖13為地上二層水平方向的樓層反應譜，圖14為地上二層豎向的樓層反應譜。從圖13可得，隔震結構水平向反應譜值在大于1Hz時要小于目標譜值，而抗震譜在峰值處要稍大于目標譜，隔震后可使反應譜滿足目標譜的要求。從圖14可得，抗震結構和隔震結構豎向的反應譜峰值均大于目標譜，且隔震結構反應譜峰值要大于抗震結構反應譜峰值。

圖9 隔震層水平向樓層反應譜Fig.9 The horizontal FRS of the isolation layer

圖10 隔震層豎向樓層反應譜Fig.10 The vertical FRS of the isolation layer

圖11 地上一層水平向樓層反應譜Fig.11 The horizontal FRS of the first floor

圖12 地上一層豎向樓層反應譜Fig.12 The vertical FRS of the first floor

圖13 地上二層水平向樓層反應譜Fig.13 The horizontal FRS of the second floor

圖14 地上二層豎向樓層反應譜Fig.15 The vertical FRS of the second floor

從以上分析可知，采用基礎隔震可明顯降低結構水平向的樓層反應譜，有利于設備抗震安全。雖然隔震結構在小于1 Hz的頻段放大了結構水平向的樓層反應譜值，但是由于核電廠中設備主要集中在4 Hz以上，因此，可忽略隔震后對小于1 Hz頻段反應帶來的不利影響。此外，由于隔震支座的豎向剛度較大，隔震結構樓層反應譜較抗震結構稍有放大，不能起到隔離豎向地震的作用。

5 結論

本文對某核電站應急指揮中心進行了基礎隔震設計，研究了隔震結構的隔震效果，建立了結構各層樓層反應譜，并將抗震結構與隔震結構的反應譜及目標譜進行了對比分析。通過以上研究，可得到如下結論：

（1）本文設計的某核電廠應急指揮中心的支座布置和選型合理，滿足抗風要求，支座長期面壓小于10 Mp，罕遇地震下支座短期面壓和隔震層位移均符合規(guī)范要求。

（2）采用基礎隔震技術后結構的減震效果明顯，結構加速度反應和層間位移反應大大減小，結構減震系數為0.26，隔震后結構的水平地震作用比非隔震結構時降低了一度，結構抗震安全儲備大大提高。

（3）基礎隔震可明顯降低結構水平向的樓層反應譜，當設備抗震按照相同地震輸入進行設計時，可提高樓層設備的抗震安全儲備。隔震結構在小于1 Hz的頻段的水平向反應譜值大于抗震結構的樓層反應譜值，但核電廠中設備頻率主要集中在4 Hz以上，因此，可忽略隔震后對小于1 Hz頻段反應帶來的不利影響。隔震結構豎向樓層反應譜峰值稍大于抗震結構豎向樓層反應譜峰值，水平隔震對降低結構豎向樓層反應譜效果有限。

[1]周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社,1997.

[2]王駿.核電廠應急指揮中心設計[J].核安全，2012，4：67-71.

[3]謝禮立，翟長海.核電工程應用隔震技術的可行作性探討[J].地震工程與工程振動，2012，32(1)：1-10.

[4]中國工程建設標準化協會.CECS126-2001疊層橡膠支座隔震技術規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2001.

[5]朱秀云，潘蓉，李建波.考慮SSI效應的核電站反應堆廠房樓層反應譜分析[J].核技術，2013，36(4)：1-8.

[6]中國地震局.GB 50267-97核電廠抗震設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1997.