倪 恒，劉翔宇，劉飛成(.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，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)動力響應(yīng)特征研究

倪 恒1，劉翔宇1，劉飛成2
(1.國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，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，對計算模型作用3種人工地震波，并對各個質(zhì)點的加速度數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析。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)為軟土場地>硬巖場地，而垂直向PGA放大系數(shù)表現(xiàn)為軟土場地<硬巖場地；軟土場地和硬巖場地條件下核島結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)譜均表現(xiàn)出單峰特征，水平向軟土場地的反應(yīng)譜峰值大于硬巖場地，垂直向軟土場地的反應(yīng)譜峰值小于硬巖場地。本文的研究成果對認(rèn)識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)過兩次核電事故后，核電發(fā)展放緩，部分國家甚至終止了本國核電的發(fā)展[1]。在國際原子能機構(gòu)的推動下，核電技術(shù)不斷得到發(fā)展和完善，90年代開發(fā)的第三代(Gen Ⅲ)核電技術(shù)，在安全性和經(jīng)濟性上得到了極大改進[2]。AP1000是美國西屋公司在非能動先進壓水堆AP600的基礎(chǔ)上開發(fā)的二回路壓水反應(yīng)堆，是第三代核電堆型[3]。2015年是中國的核電重啟之年，以華龍一號、AP1000、CAP1000為代表的第三代核電技術(shù)將引領(lǐng)我國未來一段時間內(nèi)的核電發(fā)展方向。自AP1000引入我國以來，已經(jīng)有較多的學(xué)者對其進行了針對性的研究。臧明昌[4]對AP1000的發(fā)展歷程進行了梳理；黃來等人[5]對AP1000的核島技術(shù)進行了探究；王永峰等人[6]對其關(guān)鍵設(shè)備的制造及國有化進行了分析；劉立欣等人[7]對其典型的運行瞬態(tài)進行了研究；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。刑國雷等人[9]對其常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)進行了分析；高夢夢等人[10]考慮FSI對其屏蔽結(jié)構(gòu)的地震易損性進行了研究；李忠誠等人[11]對其進行了抗震分析。上述研究雖然對AP1000的抗震性能進行了探索，但是還很不夠。本文針對AP1000的核島結(jié)構(gòu)建立兩種不同地基條件下的分析模型，對地震作用下其加速度響應(yīng)特征和反應(yīng)譜特征進行探究，以期對AP1000的抗震設(shè)計和地震風(fēng)險評估提供參考。

1 計算模型

AP1000核電廠包含5個主要廠房結(jié)構(gòu)，包括核島結(jié)構(gòu)、汽輪機廠房、輔助廠房、柴油機廠房和放廢廠房。本文研究對象為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)。計算中將AP1000簡化為多質(zhì)點簡化體系，其中模型的主要質(zhì)量點選擇在結(jié)構(gòu)的主要樓層或者結(jié)構(gòu)不連續(xù)位置?？紤]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)量點與豎直向結(jié)構(gòu)梁進行模擬。每個廠房的集中質(zhì)量點與其他結(jié)構(gòu)的梁單元相互連接構(gòu)成整個核島結(jié)構(gòu)的動力模型，該模型包括屏蔽廠房、輔助廠房、鋼安全殼、吊車梁、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、反應(yīng)堆冷卻循環(huán)系統(tǒng)(包括兩個蒸汽發(fā)生器和一個穩(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)量點耦合于簡化模型中。

相關(guān)研究表明，對于核島結(jié)構(gòu)而言，臨近建筑結(jié)構(gòu)物的存在對核島地震響應(yīng)的影響很小，基于此，在進行AP1000地震響應(yīng)分析時，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，主要針對安全殼廠房(鋼安全殼和安全殼內(nèi)部結(jié)構(gòu))進行地震響應(yīng)分析。一般來說鋼質(zhì)安全殼廠房是一個獨立的、圓筒狀、上下兩端都有橢圓頂?shù)妮S對稱鋼殼結(jié)構(gòu)(圖1)，基于軸對稱殼模型，可以利用簡化質(zhì)點結(jié)構(gòu)進行簡化模擬。為了驗證簡化多質(zhì)點模型的合理性，分別將簡化多質(zhì)點模型和殼單元模型的動力特性列于表1。

表1 不同模型中的安全殼廠房的自振頻率比較

通過表1可以看出，簡化多質(zhì)點模型與殼單元改進模型的第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，說明簡化多質(zhì)點模型可以很好的模擬結(jié)構(gòu)的動力特性，即能很好的模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)。本次分析重點是關(guān)注安全殼廠房內(nèi)部密封圓筒罐的動力響應(yīng)，故根據(jù)AP1000的相關(guān)設(shè)計文件可以得到，安全殼廠房內(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)吊車以及吊車梁的高程在140.691 m，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實際密封圓筒罐中的結(jié)構(gòu)分布，利用多質(zhì)點與桿件體系對其進行簡化，簡化后的示意圖如圖2所示。

圖1 AP1000示意

圖2 簡化多質(zhì)點體系示意

通過圖2可以看出，簡化多質(zhì)點體系共有20個質(zhì)點，各個質(zhì)點的編號如圖2所示。下面將20個質(zhì)點的有效質(zhì)量以及自振頻率列于表2。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計文件，當(dāng)?shù)乇硗翆拥募羟胁ㄋ贋?04.8 m/s時，在進行地震分析時須考慮土與結(jié)構(gòu)相互作用。且AP1000所在的土層有如下要求：對于軟土場地，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(達到2 438 m/s)，而基礎(chǔ)深度為36.576 m，同時將基礎(chǔ)簡化為用3個質(zhì)點代替，將3個質(zhì)點的高度分別設(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)點輸入，輸入的地震波峰值為0.3g。

表2 簡化多質(zhì)點體系的質(zhì)點性質(zhì)

對于軟土地基，計算采用的3個基礎(chǔ)質(zhì)點處土體參數(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)點上設(shè)置邊界彈簧，模擬周圍土體的約束作用，阻尼采用瑞利阻尼。計算得到各個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

對于硬巖場地，計算采用的基礎(chǔ)質(zhì)點處土體參數(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。計算得到彈簧的剛度和阻尼如表4所示。

表4 硬巖場地彈簧的剛度和阻尼

2 計算結(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)的動力響應(yīng)。吊車橫梁作為附屬結(jié)構(gòu)，本文不作分析，因此本文只分析1～14號質(zhì)點的地震響應(yīng)。3種人工波作用下軟土地基和硬巖地基上1～14號質(zhì)點的PGA放大系數(shù)如圖3、圖4所示。PGA放大系數(shù)指各個質(zhì)點實測地震波時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號質(zhì)點處，即結(jié)構(gòu)物的頂端，PGA放大系數(shù)最小值出現(xiàn)在11號質(zhì)點處。x方向可以近似認(rèn)為6號質(zhì)點以上PGA放大系數(shù)大于1，6號質(zhì)點以下PGA放大系數(shù)小于1；而y方向則近似表現(xiàn)為7號質(zhì)點以上PGA放大系數(shù)大于1，7號質(zhì)點以下PGA放大系數(shù)小于1；在垂直z方向，1～14號質(zhì)點的PGA放大系數(shù)幾乎不隨高程而發(fā)生變化。

比較軟土場地和硬巖場地上AP1000核島結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)可以看出，軟土場地和硬巖場地上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)為軟土場地>硬巖場地，而垂直向PGA放大系數(shù)表現(xiàn)為軟土場地<硬巖場地。

2.2 反應(yīng)譜分析

3種不同地震波作用下14號質(zhì)點(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地加速度反應(yīng)譜

對于軟土場地，通過3種地震波作用下結(jié)構(gòu)頂部質(zhì)點的三向加速度反應(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)計規(guī)范人工波作用下的豎向加速度反應(yīng)譜值。

對于硬巖場地，通過3種地震波作用下結(jié)構(gòu)頂部質(zhì)點的三向加速度反應(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。對于z向加速度反應(yīng)譜，當(dāng)周期小于特征周期時，反應(yīng)譜值表現(xiàn)為核電廠抗震設(shè)計規(guī)范人工波>AP1000規(guī)定地震設(shè)計反應(yīng)譜人工波>RG1.60人工波，當(dāng)周期大于特征周期時，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地加速度反應(yīng)譜

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

3 結(jié)論

通過本文的研究，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)為軟土場地>硬巖場地，垂直向表現(xiàn)為軟土場地<硬巖場地。

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

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

311.3

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[定稿日期]2016-08-30