某核電廠應(yīng)急指揮中心基礎(chǔ)隔震研究

范世凱，譚 平，劉德穩(wěn)，周福霖

(廣州大學(xué)減震控制與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣東 廣州 510405）

0 引言

應(yīng)急指揮中心是核電廠應(yīng)對緊急核事故而專設(shè)的指揮中心，主要作用是在處理應(yīng)急核事故期間，為應(yīng)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(yīng)急指揮中心在應(yīng)急搶險(xiǎn)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(shí)，核電站應(yīng)急指揮中心構(gòu)筑物要保持整體的完整性，不受相鄰建筑物的影響，且設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足應(yīng)急響應(yīng)期間的可居留性要求[1]?；A(chǔ)隔震是目前應(yīng)用比較成熟的一種可有效降低結(jié)構(gòu)物地震反應(yīng)的技術(shù)[2]，它是通過在結(jié)構(gòu)的地基與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層，通過隔震層的耗能而減少了地震產(chǎn)生的能量向地上建筑物的傳輸，保障結(jié)構(gòu)在地震下的安全。謝禮立等[3]對隔震技術(shù)在核電工程領(lǐng)域的應(yīng)用的可行性作了系統(tǒng)的總結(jié)與介紹。本文對某核電廠應(yīng)急指揮中心大樓進(jìn)行了基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)，分析基礎(chǔ)隔震效果，建立結(jié)構(gòu)樓層反應(yīng)譜，將隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)的樓層反應(yīng)譜和設(shè)備廠家提供的目標(biāo)譜進(jìn)行對比分析。

1 工程概況

某核電站指揮應(yīng)急指揮中心建筑類別為甲類，地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別II類，基本風(fēng)壓為0.98 kN/m2，地面粗糙度為A類結(jié)構(gòu)上部兩層為剪力墻結(jié)構(gòu)，層高分別為4.8 m和4.5 m，隔震層設(shè)置在基礎(chǔ)頂面，層高為2 m，采用ETABS建立結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

《疊層橡膠支座隔震技術(shù)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(jù)結(jié)構(gòu)隔震層每個(gè)支座承擔(dān)的荷載來選取支座直徑，每個(gè)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(xué)參數(shù)見表1，支座布置見圖2。

表1 橡膠隔震支座力學(xué)參數(shù)Table1 The mechanical parameters of rubber bearings

隔震支座布置時(shí)，盡量使鉛芯型橡膠支座（LRB）布置在結(jié)構(gòu)的外圍，而天然橡膠支座（LNR）布置在內(nèi)部，支座的布置見圖2。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)屈重比為2.3%，結(jié)構(gòu)X向和Y向的偏心率分別為1.69%、0.1%，隔震結(jié)構(gòu)偏心很小。對隔震結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載作用下，隔震結(jié)構(gòu)應(yīng)不產(chǎn)生水平位移，即要求隔震結(jié)構(gòu)所受風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)值應(yīng)小于隔震結(jié)構(gòu)各支座的屈服力之和。計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值為784 kN，小于隔震層屈服力1 439.9 kN，滿足抗風(fēng)要求。

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

隔震前后結(jié)構(gòu)的自振特性對比見表2，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)前兩階振型為整體平動，第三階為扭轉(zhuǎn)，模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到99.9%，高階振型對結(jié)構(gòu)影響較小。

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

表2 抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)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(jù)核電站RG1.60標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)算。第二組為按照廠址特定SL-2級地面運(yùn)動基巖水平向和豎直向加速度反應(yīng)譜，擬合多阻尼目標(biāo)反應(yīng)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(jì)算結(jié)構(gòu)的樓層反應(yīng)譜。兩組地震波均三向輸入，分為2個(gè)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(yīng)分析

工況S1S2Sz作用下，隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的減震效果達(dá)到74%。工況A1A2Az作用下，隔震結(jié)構(gòu)與抗震結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的減震效果達(dá)到82%。根據(jù)抗震規(guī)范規(guī)定，結(jié)構(gòu)減震系數(shù)為0.26，隔震后結(jié)構(gòu)的水平地震作用比非隔震結(jié)構(gòu)時(shí)降低了一度，大大提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)樓層剪力Fig.5 Shears of the upper-structures under S1S2Sz

圖6 工況A1A2Az上部結(jié)構(gòu)樓層剪力Fig.6 Shears of the upper-structures under A1A2Az

非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)頂層絕對加速度時(shí)程曲線對比見圖7，頂層相對位移時(shí)程曲線對比見圖8，從圖中可看出，隔震后結(jié)構(gòu)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(jù)《疊層橡膠支座隔震技術(shù)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(jù)此計(jì)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(yīng)譜分析

樓層反應(yīng)譜（FRS）是核電廠房主結(jié)構(gòu)和設(shè)備子系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。本文基于時(shí)程法建立結(jié)構(gòu)各層的樓層反應(yīng)譜。為了考慮輸入?yún)?shù)、結(jié)構(gòu)模型和計(jì)算方法上的不確定性引起的結(jié)構(gòu)主頻的不確定性，參考核電廠設(shè)計(jì)規(guī)范GB50267-97[6]的做法，對計(jì)算的樓層反應(yīng)譜在峰值處按15%進(jìn)行拓寬。選取每一層加速度反應(yīng)最大點(diǎn)為對象，建立抗震和隔震結(jié)構(gòu)的樓層反應(yīng)譜，包括水平和豎向樓層反應(yīng)譜，阻尼比取0.05。

圖9為隔震層水平方向的樓層反應(yīng)譜，從圖中可看出，隔震結(jié)構(gòu)樓層反應(yīng)譜在大于1Hz時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目標(biāo)譜和抗震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜，但在小于1Hz的低頻段隔震反應(yīng)譜要大于目標(biāo)譜和抗震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜，這是由于隔震是通過增大結(jié)構(gòu)的周期來降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，對低頻段長周期的結(jié)構(gòu)不起作用。

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

圖11為地上一層水平方向的樓層反應(yīng)譜，從圖中可得，隔震反應(yīng)譜值在大于1Hz時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目標(biāo)譜值，而抗震譜在峰值處要大于目標(biāo)譜。圖12為地上一層豎向的樓層反應(yīng)譜，從圖中可得，在高頻段抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜均小于目標(biāo)譜，但隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜峰值要大于抗震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜峰值，隔震后稍微放大了結(jié)構(gòu)的豎向地震反應(yīng)。

圖13為地上二層水平方向的樓層反應(yīng)譜，圖14為地上二層豎向的樓層反應(yīng)譜。從圖13可得，隔震結(jié)構(gòu)水平向反應(yīng)譜值在大于1Hz時(shí)要小于目標(biāo)譜值，而抗震譜在峰值處要稍大于目標(biāo)譜，隔震后可使反應(yīng)譜滿足目標(biāo)譜的要求。從圖14可得，抗震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)豎向的反應(yīng)譜峰值均大于目標(biāo)譜，且隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜峰值要大于抗震結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜峰值。

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

圖10 隔震層豎向樓層反應(yīng)譜Fig.10 The vertical FRS of the isolation layer

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

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

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

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

從以上分析可知，采用基礎(chǔ)隔震可明顯降低結(jié)構(gòu)水平向的樓層反應(yīng)譜，有利于設(shè)備抗震安全。雖然隔震結(jié)構(gòu)在小于1 Hz的頻段放大了結(jié)構(gòu)水平向的樓層反應(yīng)譜值，但是由于核電廠中設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)樓層反應(yīng)譜較抗震結(jié)構(gòu)稍有放大，不能起到隔離豎向地震的作用。

5 結(jié)論

本文對某核電站應(yīng)急指揮中心進(jìn)行了基礎(chǔ)隔震設(shè)計(jì)，研究了隔震結(jié)構(gòu)的隔震效果，建立了結(jié)構(gòu)各層樓層反應(yīng)譜，并將抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜及目標(biāo)譜進(jìn)行了對比分析。通過以上研究，可得到如下結(jié)論：

（1）本文設(shè)計(jì)的某核電廠應(yīng)急指揮中心的支座布置和選型合理，滿足抗風(fēng)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(chǔ)隔震技術(shù)后結(jié)構(gòu)的減震效果明顯，結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)和層間位移反應(yīng)大大減小，結(jié)構(gòu)減震系數(shù)為0.26，隔震后結(jié)構(gòu)的水平地震作用比非隔震結(jié)構(gòu)時(shí)降低了一度，結(jié)構(gòu)抗震安全儲備大大提高。

（3）基礎(chǔ)隔震可明顯降低結(jié)構(gòu)水平向的樓層反應(yīng)譜，當(dāng)設(shè)備抗震按照相同地震輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可提高樓層設(shè)備的抗震安全儲備。隔震結(jié)構(gòu)在小于1 Hz的頻段的水平向反應(yīng)譜值大于抗震結(jié)構(gòu)的樓層反應(yīng)譜值，但核電廠中設(shè)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(yīng)帶來的不利影響。隔震結(jié)構(gòu)豎向樓層反應(yīng)譜峰值稍大于抗震結(jié)構(gòu)豎向樓層反應(yīng)譜峰值，水平隔震對降低結(jié)構(gòu)豎向樓層反應(yīng)譜效果有限。

[1]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京：地震出版社,1997.

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