周志光 陳 浩 趙錦一

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

核電是一種技術(shù)成熟的能源，與火電、水電構(gòu)成世界能源的三大支柱，具有高效、清潔、低成本等特點(diǎn)[1]。發(fā)展核電是解決當(dāng)前及未來能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效途徑之一。日本311大地震引發(fā)的核電泄漏事故引起世界對(duì)核電安全的關(guān)注。隔震技術(shù)是最為常見有效的減輕地震作用手段之一，不僅廣泛應(yīng)用于各類建筑，而且在核電重要基礎(chǔ)設(shè)施中得以應(yīng)用[2]。隔震的基本原理是在基礎(chǔ)上放置柔性的隔震支座使結(jié)構(gòu)的基本周期延長(zhǎng)，從而減弱地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。核電結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)除改善抗震性能外，最重要的是使核電抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化[3-4]。

土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用(簡(jiǎn)稱SSI)效應(yīng)主要表現(xiàn)為三點(diǎn)：地面運(yùn)動(dòng)特性改變、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征改變及結(jié)構(gòu)響應(yīng)改變[5]。現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)大多采用剛性地基假定，考慮到核電結(jié)構(gòu)的特殊性(質(zhì)量大、剛度大、安全性要求高等)，仍采用剛性地基假定的抗震設(shè)計(jì)可能影響到核電的安全性。李小軍等對(duì)非基巖場(chǎng)地的CAP1400核電結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，結(jié)果表明：核電結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)受場(chǎng)地條件的影響明顯，在分析中應(yīng)考慮SSI效應(yīng)[6]。因此，考慮SSI效應(yīng)和隔震的核電結(jié)構(gòu)研究是核電抗震設(shè)計(jì)與安全分析中的重要課題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了一些有關(guān)SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)影響的研究。Constantinou等對(duì)采用基底隔震的單自由度結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以體系基頻的變化程度作為判別SSI效應(yīng)對(duì)體系的影響標(biāo)志[7]。李忠獻(xiàn)等對(duì)比了剛性地基與土性地基下橡膠隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)考慮SSI后，隔震結(jié)構(gòu)與未隔震結(jié)構(gòu)的層間位移和剪力變化規(guī)律較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為傳統(tǒng)抗震計(jì)算方法中不考慮SSI是偏于安全的[8]。鄒立華等分析了樁-土相互作用對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為在一般隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以不考慮SSI效應(yīng)的影響[9]。李延濤系統(tǒng)研究了考慮SSI效應(yīng)的基礎(chǔ)隔震與結(jié)構(gòu)控制，其研究表明，軟土地基上進(jìn)行基礎(chǔ)隔震與結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)，必須考慮SSI對(duì)基礎(chǔ)隔震與結(jié)構(gòu)控制的影響[10]。李海嶺、王阿萍等采用子結(jié)構(gòu)法分析SSI對(duì)線性基礎(chǔ)隔震體系基頻和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，指出基于剛性地基假定的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不總偏于安全[11-12]。

本文選取第三代核反應(yīng)堆AP1000安全殼結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，從隔震與非隔震、土性地基與剛性地基等方面對(duì)核電結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)及制作

本文選取AP1000安全殼原型結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀缮喜拷Y(jié)構(gòu)、隔震層以及地基土組成，見圖1。上部結(jié)構(gòu)按照1/40的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型采用有機(jī)玻璃制作，并在原型結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大的樓層高度處采用鋼板配重，使模型更接近于真實(shí)結(jié)構(gòu)，其中上部結(jié)構(gòu)共配重3.4 kN。為滿足隔震層的頻率相似關(guān)系，且不影響上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在模型底部配重15.24 kN鋼板(圖2)。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接示意Fig.1 Schematic diagram of test model

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团渲?mmFig.2 Counterweight diagram of test model

隔震層設(shè)置在基底和上部結(jié)構(gòu)之間，由4個(gè)鉛芯橡膠隔震支座組成。原型場(chǎng)地土參數(shù)選自文獻(xiàn)[13]中第三類核電場(chǎng)地，其頻率為2.39 Hz。模型土采用上海粉質(zhì)黏土，土層總厚度1.18 m，土的實(shí)測(cè)密度為1 890 kg/m3，實(shí)測(cè)剪切波速為88.4 m/s。

1.2 相似比設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)可分為足尺模型試驗(yàn)和縮尺模型試驗(yàn)。核電結(jié)構(gòu)一般體積較大、成本極高，且受限于振動(dòng)臺(tái)尺寸，本次試驗(yàn)采用縮尺模型試驗(yàn)進(jìn)行探究。在土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中將涉及到兩種以上材料，很難完全滿足試驗(yàn)參數(shù)與原型參數(shù)的相似關(guān)系。一方面需要考慮振動(dòng)臺(tái)性能與試驗(yàn)條件，另一方面需要最大程度地模擬土-隔震層-上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用特性。根據(jù)Bockingham π原理，參考周穎等提出的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷刃гO(shè)計(jì)方法[14]，取長(zhǎng)度相似常數(shù)Sl=1/40，選擇頻率相似比Sf為主要控制參數(shù)，使模型結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)、隔震層、土三者的頻率與原型結(jié)構(gòu)的頻率比等于頻率相似常數(shù)，取Sf=3.3。原型結(jié)構(gòu)與模型結(jié)構(gòu)的各組成部分頻率見表2。

表1 原型與模型概況Table 1 Overview of the model and the prototype

表2 模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)頻率Table 2 Frequency of the model and the prototype Hz

1.3 土邊界模擬

在實(shí)際SSI分析中，地基在理論上是沒有邊界的，但在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，采用有限尺寸容器裝載模型土。由于邊界處的地震波反射及體系振動(dòng)形態(tài)的變化將產(chǎn)生一定誤差，即“模型箱效應(yīng)”。目前在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究土-結(jié)構(gòu)相互作用中，常采用柔性土箱和層狀剪切型土箱消除或盡可能地減小邊界效應(yīng)[15-16]。

本試驗(yàn)采用柔性土箱以減小“模型箱效應(yīng)”，如圖3所示。該土箱為直徑3 000 mm的圓筒，側(cè)壁采用厚5 mm的橡膠膜。外側(cè)用鋼筋作圓周式加固，提供徑向剛度且允許土體作層狀水平剪切變形。內(nèi)側(cè)制作花紋，在底鋼板上用環(huán)氧樹脂粘上碎石，形成粗糙表面，減少土與容器界面的相對(duì)滑移。在試驗(yàn)過程中，可以看到明顯的剪切變形。

圖3 柔性土箱Fig.3 Flexible soil box

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用加速度傳感器、力傳感器、土壓力計(jì)等測(cè)量上部結(jié)構(gòu)、隔震層、基礎(chǔ)和地基土的動(dòng)力響應(yīng)，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置 mmFig.4 Arrangement of measuring points

1.5 輸入地震波與試驗(yàn)加載方案

為探討不同地震波輸入時(shí)SSI效應(yīng)對(duì)核電隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，試驗(yàn)選擇了3條具有代表性的地震波作為振動(dòng)臺(tái)輸入，分別為El Centro波、Kobe波及人工波RG1.60，采用三向激振。圖5為輸入地震波的反應(yīng)譜。試驗(yàn)加載方案及振動(dòng)臺(tái)面輸入峰值加速度aPGA見表3。

a—X向；b—Y向；c—Z向。圖5 輸入地震波加速度反應(yīng)譜(aPGA=0.30g)Fig.5 Acceleration response spectra of input waves (aPGA=0.30g)

表3 試驗(yàn)加載方案Table 3 Test loading program

1.6 試驗(yàn)組

為對(duì)比核電模型結(jié)構(gòu)在不同地基、不同隔震情況下的地震響應(yīng)，本試驗(yàn)設(shè)置土性地基與剛性地基對(duì)照組及隔震與未隔震對(duì)照組，試驗(yàn)組及內(nèi)容見表4。

表4 試驗(yàn)組Table 4 Test groups

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

采用0.07g白噪聲對(duì)各試驗(yàn)組模型進(jìn)行掃頻，評(píng)估體系的自振頻率，結(jié)果見表5。安全殼模型結(jié)構(gòu)的水平向自振頻率為11.02 Hz(Y向)和11.14 Hz(X向)，與設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)頻率10.80 Hz接近。

表5 各試驗(yàn)組模型自振頻率Table 5 The natural frequency of the system in each test group Hz

分析表5可得如下規(guī)律：

1)不同地基上模型結(jié)構(gòu)采用基底隔震后，水平自振頻率均降低，且剛性地基更為顯著；豎向自振頻率均提高，且剛性地基更為顯著。

2)對(duì)于隔震模型結(jié)構(gòu)，考慮SSI幾乎不對(duì)水平自振頻率產(chǎn)生影響，但會(huì)降低豎向自振頻率；對(duì)于非隔震模型結(jié)構(gòu)，考慮SSI則會(huì)降低水平自振頻率，對(duì)豎向頻率影響較小。

由于土體是一種典型的非線性材料，隨著輸入地震動(dòng)峰值的增加，土體‘軟化’，土性地基上模型結(jié)構(gòu)的自振頻率會(huì)發(fā)生一定變化。SL試驗(yàn)組模型的水平自振頻率主要由隔震層控制，變化幅度較小。SN試驗(yàn)組模型的水平自振頻率由土體和上部結(jié)構(gòu)共同控制，變化幅度相對(duì)較大。

2.2 自由場(chǎng)分析

自由場(chǎng)分析是土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究中的重要組成部分。一方面，可以分析土層的非線性特征和場(chǎng)地土層對(duì)輸入地震動(dòng)譜特征的影響程度；另一方面，可以通過反演分析獲取基巖處的地震動(dòng)作為模型結(jié)構(gòu)的輸入。

試驗(yàn)中加速度傳感器布置在距離土表面0，0.38，0.98，1.18 m處。圖6為土層各測(cè)點(diǎn)處的傅里葉譜，表6為土表面相對(duì)于輸入地震波加速度的放大系數(shù)?？梢钥吹剑S著離土表面的距離越近，加速度峰值越大，傅里葉譜幅值向低頻移動(dòng)，高頻成分減少，說明試驗(yàn)中的軟土地基具有濾波和放大作用，且放大作用隨著輸入地震動(dòng)峰值的增大而減小。

a—-1.18 m；b—-0.98 m；c—-0.38 m；d—0 m。圖6 土層各測(cè)點(diǎn)傅里葉幅值譜Fig.6 Fourier amplitude spectrum at each measuring point

表6 自由場(chǎng)下加速度峰值放大系數(shù)Table 6 Amplification factor under free field condition

采用SVSA系統(tǒng)對(duì)自由場(chǎng)進(jìn)行地基土頻率的識(shí)別，根據(jù)識(shí)別結(jié)果確定土的頻率為8 Hz，與設(shè)計(jì)值7.89 Hz接近。

2.3 隔震有效性分析

隔震效果表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)相對(duì)于輸入地震動(dòng)減小程度。此處定義加速度放大系數(shù)為上部結(jié)構(gòu)的加速度峰值與輸入地震動(dòng)的加速度峰值之比，通過對(duì)比隔震組與未隔震組加速度放大系數(shù)說明隔震效果。由于鉛芯橡膠支座只對(duì)水平向提供隔震能力，故圖7和圖8只給出了X向的RL與RN、SL與SN加速度放大系數(shù)對(duì)比?？梢钥闯?，無論是土性地基還是剛性地基，鉛芯橡膠支座均表現(xiàn)出很好的隔震效果。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖7 RL與RN加速度放大系數(shù)對(duì)比(X向)Fig.7 Comparison of acceleration amplification factor between RL and RN (X-direction)

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖8 SL與SN加速度放大系數(shù)對(duì)比(X向)Fig.8 Comparison of acceleration amplification factor between SL and SN (X-direction)

隔震組與非隔震組(如RL與RN)圍成的面積可以體現(xiàn)隔震支座對(duì)結(jié)構(gòu)整體的隔震效果。顯然，土性地基下隔震圍成的面積更小，即SSI效應(yīng)削弱了隔震支座的隔震能力。

2.4 試驗(yàn)組SL模型結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

為了擴(kuò)大核電的選址范圍及應(yīng)用隔震支座于核電結(jié)構(gòu)中，了解土性地基下的核電隔震模型結(jié)構(gòu)(即SL試驗(yàn)組)的響應(yīng)規(guī)律極為重要。圖9為各地震波輸入下安全殼模型的加速度放大系數(shù)?？芍?，水平向加速度響應(yīng)隨樓層的升高先減小再增大。其主要原因：一是基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)顯著，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生搖擺；二是鉛芯橡膠隔震支座產(chǎn)生變形，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生搖擺。豎向加速度則隨樓層的升高逐漸減小。對(duì)于同一地震波，隨著輸入峰值的增大，各樓層處加速度響應(yīng)雖逐漸增大，但其放大系數(shù)卻是逐漸減小。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖9 試驗(yàn)組SL各樓層加速度放大系數(shù)Fig.9 Acceleration amplification factor at each floor of SL

核電結(jié)構(gòu)是一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，需要提供樓層反應(yīng)譜用于設(shè)備振動(dòng)分析。本文對(duì)樓層高2.15，1.01，0.34 m處進(jìn)行樓層反應(yīng)譜分析，結(jié)果見圖10。結(jié)果表明：

1)對(duì)于水平方向，各樓層反應(yīng)譜總是在2 Hz(隔震層頻率)和8 Hz(地基土頻率)時(shí)出現(xiàn)峰值，頂部的樓層反應(yīng)譜遠(yuǎn)大于其他樓層反應(yīng)譜。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe?！斎?；----0.34 m；—·—·1.01 m；---2.15 m。圖10 試驗(yàn)組SL樓層反應(yīng)譜Fig.10 Floor response spectrum of SL

2)對(duì)于豎直方向，各樓層反應(yīng)譜在13 Hz(SL試驗(yàn)組模型豎向頻率)附近出現(xiàn)峰值，且隨樓層的升高，反應(yīng)譜值逐漸減小。

因此，在土性地基上進(jìn)行核電隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮上部結(jié)構(gòu)搖擺效應(yīng)造成的影響。設(shè)備位置的選擇應(yīng)避免樓層反應(yīng)譜最大的位置。同時(shí)設(shè)備運(yùn)行頻率應(yīng)盡量避開隔震層頻率、地基土頻率以及結(jié)構(gòu)體系豎向頻率。

2.5 SSI效應(yīng)對(duì)非隔震結(jié)構(gòu)的影響分析

從表6知，實(shí)際輸入峰值與設(shè)計(jì)輸入峰值不可能完全一致，為消除此誤差產(chǎn)生的影響，采用反應(yīng)譜放大系數(shù)對(duì)試驗(yàn)組SN和RN進(jìn)行對(duì)比分析，討論SSI效應(yīng)對(duì)核電非隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

定義反應(yīng)譜放大系數(shù)(簡(jiǎn)稱PSA放大系數(shù))為樓層反應(yīng)譜與輸入地震波反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)頻率處譜值之比。圖11為試驗(yàn)組SN和RN模型頂部PSA放大系數(shù)對(duì)比?？芍簩?duì)于水平向，土性地基下PSA放大譜的峰值出現(xiàn)在4～5 Hz附近，與SN試驗(yàn)組模型基本頻率(5.55 Hz)接近且偏小，主要原因是較大的地震波輸入使土體軟化，較白噪聲掃頻結(jié)果偏低。剛性地基下峰值出現(xiàn)在11 Hz，與RN試驗(yàn)組模型基本頻率一致。即SSI效應(yīng)使得非隔震模型加速度的高頻成分降低，峰值頻率從高頻向低頻移動(dòng)。土體降低了核電非隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，使其豎直向表現(xiàn)出與水平向類似的趨勢(shì)。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖11 SN與RN試驗(yàn)組模型頂部PSA放大系數(shù)對(duì)比Fig.11 Comparison of amplification factor of PSA at the top of the model between SN and RN

2.6 SSI效應(yīng)對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的影響分析

試驗(yàn)組SL和RL的反應(yīng)譜放大系數(shù)對(duì)比結(jié)果如圖12所示。可看出：對(duì)于水平向，SL試驗(yàn)組的PSA放大系數(shù)在2.5～8 Hz頻段內(nèi)比RL試驗(yàn)組的大；對(duì)于豎向，峰值頻率從19 Hz改變到11 Hz，這與表5分析結(jié)果基本一致。2.5～8 Hz頻段中兩端數(shù)值恰好接近隔震層頻率與地基土頻率。即在此特征頻率區(qū)間內(nèi)，SSI效應(yīng)放大了核電隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)。因此核電隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮SSI效應(yīng)。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖12 SL與RL試驗(yàn)組模型頂部PSA放大系數(shù)對(duì)比Fig.12 Comparison of amplification factor of PSA at the top of the model between SL and RL

3 結(jié)束語

本文通過核電結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探討了SSI效應(yīng)對(duì)核電結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下：

1)對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)，考慮SSI幾乎不對(duì)體系水平自振頻率產(chǎn)生影響，但會(huì)降低豎向自振頻率；對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)，考慮SSI則會(huì)降低水平自振頻率，對(duì)豎向頻率影響較小。

2)在土性地基上進(jìn)行核電隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮上部結(jié)構(gòu)搖擺效應(yīng)造成的影響。設(shè)備位置的選擇應(yīng)避免樓層反應(yīng)譜最大的位置，設(shè)備運(yùn)行頻率應(yīng)盡量避開隔震層頻率、地基土頻率以及體系豎向頻率。

3)對(duì)于非隔震結(jié)構(gòu)，SSI效應(yīng)會(huì)降低加速度反應(yīng)譜高頻成分，使峰值出現(xiàn)頻率從高頻向低頻移動(dòng)。土體表現(xiàn)出一定的隔震效果降低了某些頻率處的加速度譜響應(yīng)。

4)對(duì)于隔震結(jié)構(gòu)，SSI效應(yīng)會(huì)削弱隔震效果，而且會(huì)在某些頻段處放大加速度響應(yīng)。因此，在核電隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析和隔震支座的選擇至關(guān)重要。