基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)對(duì)核電站安全殼抗震的影響＊

趙春風(fēng)，陳健云

（大連理工大學(xué)土木工程抗震研究所，遼寧 大連116024）

地震是威脅核電站安全的自然災(zāi)害之一，2011年日本福島核事故是由于地震引起的海嘯造成，因此研究核電站安全殼在地震作用下的安全性具有非常重要的意義。核電站預(yù)應(yīng)力安全殼是核電站的最后一道防線，要求其在各種不利作用下具有良好的密封性，防止發(fā)生核事故后產(chǎn)生核泄漏對(duì)環(huán)境和人類產(chǎn)生危害。核電站的設(shè)計(jì)和建造過程中需要進(jìn)行地震動(dòng)分析，因此需要對(duì)現(xiàn)存的和新建核電站的抗震能力進(jìn)行評(píng)估［1］。

在核電站的抗震設(shè)計(jì)中，需要有結(jié)構(gòu)真實(shí)準(zhǔn)確的動(dòng)力響應(yīng)分析，主要依賴于核電站結(jié)構(gòu)、場(chǎng)地條件和動(dòng)力特性。為了改進(jìn)核電站的設(shè)計(jì)，需要高效的方法對(duì)核電站的薄弱性進(jìn)行評(píng)估，如果可能的話，加固現(xiàn)有的核電廠房，因此必須對(duì)核電站在正常工作期間遭受極限地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。

目前，減小地震危害一般采取的措施有避震、控震、抗震和隔震。避震是指在城市、工廠的選址、規(guī)劃以及工程建設(shè)中，充分考慮地震的因素，進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析與工程建設(shè)場(chǎng)地抗震性能評(píng)價(jià)，盡可能避開孕育地震活動(dòng)的斷層；控震是將地震中的建筑物的震動(dòng)予以控制，有主動(dòng)與被動(dòng)控制；抗震是通過增大結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力，即“以剛克剛”。隔震是通過某種隔離裝置將地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)隔開，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。隔震技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用，不僅在地震區(qū)的建筑與橋梁工程中得到了大量的應(yīng)用，而且在許多重要的基礎(chǔ)設(shè)施和重大關(guān)鍵項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。本文中對(duì)核電站采用隔震技術(shù)進(jìn)行了分析并對(duì)有隔震措施和無隔震措施的安全殼進(jìn)行了對(duì)比研究，驗(yàn)證隔震技術(shù)的有效性［2－3］。

1 動(dòng)力響應(yīng)分析

核電站是由許多連接結(jié)構(gòu)組成的，建立反應(yīng)核電站安全殼動(dòng)力響應(yīng)的有限元模型應(yīng)當(dāng)考慮核心結(jié)構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)的相互作用。采用有限元方法對(duì)地震波在核電站結(jié)構(gòu)中傳播和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行定性的評(píng)估以確定核電站結(jié)構(gòu)及其組成構(gòu)件遭受極限安全地震動(dòng)時(shí)的抗震能力，對(duì)采取隔震技術(shù)和不采取隔震技術(shù)的核電站進(jìn)行分析。隔震支座設(shè)置在基礎(chǔ)，通過對(duì)有隔震支座的核電站結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震分析得到核電站結(jié)構(gòu)及其連接件上傳遞的地震荷載和運(yùn)動(dòng)效果。為了分析隔震技術(shù)對(duì)提高抗震安全，減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)和破壞，避免經(jīng)濟(jì)損失等有何影響，特別對(duì)采用隔震系統(tǒng)的核電結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力荷載傳播進(jìn)行了分析?；跍p小核電站結(jié)構(gòu)的主要自振頻率和增加能量消散的方法來達(dá)到減震效果。其的核心思想是利用一般的結(jié)構(gòu)在適當(dāng)?shù)母粽鹧b置作用下減震的可能性，隔震裝置通過彈簧和減震器耦合進(jìn)行模擬。目前已有許多種隔震裝置，如疊層鋼板橡膠隔震器、摩擦滑移隔震器、鉛芯橡膠隔震器等。

1.1 有限元模型

利用有限元軟件ANSYS建立核電結(jié)構(gòu)的模型，利用簡(jiǎn)單的彈簧和減震器模擬隔震裝置并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震荷載時(shí)程分析。為了分析的方便，簡(jiǎn)化邊界條件，本文中部考慮土和結(jié)構(gòu)的相互作用。有限元模型采用合適的單元類型和數(shù)量，即混凝土結(jié)構(gòu)采用SOLID 65單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用SHELL41膜單元進(jìn)行模擬，隔震支座采用非線性彈簧阻尼單元COMBIN14和COMBIN40分別模擬，安全殼由豎直筒體和頂部的圓形穹頂組成。

采用和無隔震裝置一樣的材料對(duì)有隔震裝置的安全殼進(jìn)行隔震效果分析，對(duì)有無隔震裝置的安全殼進(jìn)行極限安全地震動(dòng)作用下的動(dòng)力響應(yīng)分析。為了得到合適的三維基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)，采用水平和豎向隔震支座。有無隔震裝置的安全殼模型如圖1所示。

圖1 安全殼模型Fig.1 Reinforced concrete containment models

1.2 隔震體系

隔震器能有效的減小核電站廠房結(jié)構(gòu)的加速度動(dòng)力響應(yīng)，所以核電站廠房可以通過增加隔震器來加快能量消耗。實(shí)際設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)隔震對(duì)減小地震響應(yīng)和節(jié)約成本具有重要的作用［4］。

隔震技術(shù)逐漸的成為一項(xiàng)普通而有強(qiáng)大的方法可以保護(hù)結(jié)構(gòu)免受地震破壞，通過減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)來提高結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。積極效果是增加阻尼，在基板和地基中間加入隔震裝置使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)發(fā)生解耦。隔震支座或隔震器能使結(jié)構(gòu)在合適的初始設(shè)計(jì)或后期改進(jìn)措施后可以抵抗破壞性的地震沖擊。傳統(tǒng)的方法主要依賴于增加結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而隔震器是由橡膠層和鋼板組成的，通過橡膠的硫化和鋼板緊密的結(jié)合在一起，以期同時(shí)減小水平和豎向地震荷載，特別是重要結(jié)構(gòu)中的設(shè)備和部件的地震效應(yīng)［5］。

目前，世界上將基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)用于核電工程中的只有法國的Cruas和南非的Koeberg核電站，而前面所述的先進(jìn)隔震技術(shù)還處于研究發(fā)展階段。法國的Cruas壓水堆核電站采用了1 800個(gè)500mm×500mm×65mm的橡膠墊層，而南非的Koeberg核電站采用了2 000個(gè)700mm×700mm×100mm的橡膠隔震支座。該墊層采用了橡膠支座加滑動(dòng)摩擦板，這個(gè)隔震體系把核電站有關(guān)結(jié)構(gòu)建立在上層筏基礎(chǔ)上，在下筏上裝有疊層橡膠，在上下筏之間安裝2塊滑板，通過滑板的摩擦減小地震力向上傳播。但是這種技術(shù)已顯過時(shí)，目前已經(jīng)研制成功更好的隔震系統(tǒng)如高阻尼橡膠隔震系統(tǒng)［6］。

本文中應(yīng)用的就是高阻尼橡膠隔震系統(tǒng)，具有良好的彈性和高阻尼特性，是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛、可靠的隔震系統(tǒng)。隔震技術(shù)是把上部結(jié)構(gòu)和地基運(yùn)動(dòng)解耦，即在上部建筑和基礎(chǔ)之間引入適當(dāng)?shù)哪芰课昭b置并提供足以支撐結(jié)構(gòu)重力和豎向荷載作用的豎向剛度。隔震支座良好的彈性使得主要結(jié)構(gòu)的基頻降低，避免和地基的頻率接近引起共振，這就使得地基加速度被濾去的同時(shí)結(jié)構(gòu)的加速度迅速降低。

隔震裝置的橡膠支座，如圖2所示。必須有足夠的強(qiáng)度足以支撐上部結(jié)構(gòu)的重量，通過穩(wěn)定的、適當(dāng)?shù)乃阶冃蜗⒌卣鸬妮斎肽芰俊１仨氈赋龅氖歉粽鹧b置是以增大結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間的相對(duì)位移為代價(jià)而減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的，因此隔震支座的位移必須和其他設(shè)備的位移相協(xié)調(diào)，使得隔震支座既能承受較大的變形還能保持承載能力。為了協(xié)調(diào)隔震結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，應(yīng)設(shè)置可供組裝和檢查等需要的適當(dāng)?shù)纳炜s縫。高阻尼橡膠支座隔震裝置必須確保它的過濾功能和消能的功能保持60年有效性，與核電站的設(shè)計(jì)壽命相一致。

首先將隔震裝置簡(jiǎn)化為彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，接著通過模型分析驗(yàn)證它的有效性。隔震的有效性通過采取隔震措施和不采取隔震措施的安全殼的最大加速度的比值來定性的研究。

在進(jìn)行非線性瞬時(shí)地震分析之前，需要確定隔震裝置的數(shù)量和種類，隔震裝置主要由其2個(gè)主要特性決定：（1）改變系統(tǒng)基頻的能力，即使得結(jié)構(gòu)的頻率不落在常見地震作用下地面運(yùn)動(dòng)的頻率帶范圍內(nèi)，地基運(yùn)動(dòng)加速度的頻率隨著隔震裝置振動(dòng)頻率（周期）的減小（增大）而減小，而相對(duì)位移隨著隔震裝置振動(dòng)頻率（周期）的（增大）而增大，如圖3所示。（2）隔震裝置的消散地震能量的能力。

圖2 隔震支座Fig.2 Isolator scheme

圖3 采用隔震支座后安全殼整體位移和加速度Fig.3 Acceleration and displament of containment with isolator scheme

為了準(zhǔn)確地確定隔震裝置的屬性，首先假定在0.3g的地面峰值加速度作用下，給定隔震頻率下的位移譜表達(dá)式：

式中：Sd和Sa分別為位移譜和加速度譜，ω是隔震裝置頻率，g是重力加速度。代入周期為T＝2.7s（fi＝0.363 4Hz）時(shí)的加速度譜得到最大加速度譜為：

根據(jù)得到的位移和已知的質(zhì)量可以確定隔震器的剛度k，根據(jù)簡(jiǎn)化計(jì)算公式得到的結(jié)果，從現(xiàn)有工廠生產(chǎn)的隔震器中選擇隔震器的型號(hào)和數(shù)量，簡(jiǎn)化的計(jì)算公式如下［5］：

式中：m是結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量，k為結(jié)構(gòu)總剛度，fi是初始選定的隔震頻率為0.363Hz。

因此設(shè)置在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間的隔震器的數(shù)量為：

由于隔震器中的橡膠是用來抵抗剪切變形的材料，橡膠的阻尼越大，耗散能力越好。高阻尼橡膠的阻尼比變化范圍為10%到20%，剪切模量G為0.8～1.4MPa［7］。根據(jù)文獻(xiàn)［8］中的結(jié)果，本文中的隔震器的阻尼取為20%。

2 數(shù)值模擬

利用上文中的有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)和地震加速度瞬態(tài)分析，模態(tài)分析可以采用模態(tài)疊加法，直接積分法和子結(jié)構(gòu)法。通過對(duì)有隔震措施和無隔震措施的安全殼進(jìn)行模態(tài)分析得到2種結(jié)構(gòu)的模態(tài)和頻率，并對(duì)不同安全殼的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估分析；采用直接積分的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性瞬態(tài)分析，分析中選擇合適的阻尼材料代表隔震系統(tǒng)中的耗能裝置。

采取人工加載的地震波加速度對(duì)安全殼進(jìn)行時(shí)域分析，峰值加速度取為0.3g，輸入水平（ax、az）和豎向（ay）加速度時(shí)程，地震激勵(lì)持續(xù)時(shí)間為12s，加速度時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 人工加載的地震波加速度時(shí)程曲線Fig.4 Histories of acceleration by artificial loading

在抗震分析中，首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析得到反映結(jié)構(gòu)本身阻尼特性的主要頻率。計(jì)算了安全殼結(jié)構(gòu)的前20階振型和頻率。結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型反映了核島的地震反應(yīng)特性，比如和材料能量消耗與阻尼效果相關(guān)的地震放大系數(shù)。另外，通過模態(tài)分析對(duì)比了采取基礎(chǔ)隔震措施和無隔震措施的結(jié)構(gòu)的一階頻率，驗(yàn)證分析中選擇的隔震頻率和隔震結(jié)構(gòu)的一階頻率的是否對(duì)應(yīng)，本文中選取的自振頻率為0.363 4Hz，如圖5所示。

圖5 安全殼的一階振型Fig.5 The first frequency of containment

在圖5中，有隔震裝置和無隔震裝置結(jié)構(gòu)的第1階振型（懸臂梁行為）和頻率分別表示了2種結(jié)構(gòu)的變形形狀，由圖5中可知，隔震結(jié)構(gòu)主要呈水平平移，而非隔震結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為搖擺狀態(tài)。有隔震和無隔震裝置的結(jié)構(gòu)的頻率和振型計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 隔震和不隔震安全殼的的振動(dòng)模態(tài)Table 1 Vibration mode of containment

3 計(jì)算結(jié)果

為了評(píng)估地震風(fēng)險(xiǎn)，除了要定義核電結(jié)構(gòu)和主要組件的地震響應(yīng)（通常特指的是加速度，位移，應(yīng)力等），還需要對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行初始的抗震分析。通過對(duì)有隔震措施和無隔震措施不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，得到不同結(jié)構(gòu)不同樓層位置的最大加速度和位移，通過對(duì)比2種結(jié)果的最大加速度和位移來分析隔震系統(tǒng)對(duì)減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的有效性和阻尼系統(tǒng)的能量耗散能力。通過有限元計(jì)算得到有隔震和無隔震措施安全殼的頂點(diǎn)的加速度和位移時(shí)程曲線如圖6～7所示。

由圖6～7可知，采取隔震措施的安全殼的頂點(diǎn)x、y和z方向（x、z表示的是水平方向，y表示豎直方向）的最大加速度分別為2.85、12.84和3.05m／s2，相比于無隔震措施的安全殼，加速度分別降低了79.52%、27.56%和79.47%；采取隔震措施的安全殼x、y和z方向的最大位移分別為70.07、1.79和72.65mm；無隔震措施的安全殼x、y和z方向的最大位移分別為14.98、2.30和15.10mm；采取隔震措施的最大位移是未采取隔震措施結(jié)構(gòu)位移的4.71、0.778和4.81倍，安全殼整體結(jié)構(gòu)的最大的傾角僅為0.001 37°。

圖6 安全殼頂點(diǎn)加速度響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.6 Histories of acceleration at containment dome vertex

圖7 安全殼頂點(diǎn)位移響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.7 Histories of displacement at containment dome vertex

綜上所述，在多向地震作用下。安全殼采取隔震措施后，整體的隔震效果明顯，安全殼結(jié)構(gòu)本身的相對(duì)位移很小，如圖8所示。隔震結(jié)構(gòu)主要是隔震層在水平方向的平移，整體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生大的變形；由于隔震措施采用的柔性支撐造成安全殼整體結(jié)構(gòu)水平方向的位移較大，因此，必須考慮隔震措施對(duì)與安全殼連接的管路設(shè)備等影響。

圖8 安全殼頂點(diǎn)相對(duì)位移響應(yīng)時(shí)程曲線Fig.8 Histories of relative displacement at containment dome vertex

對(duì)比采取隔震和未隔震的安全殼的傾角變化發(fā)現(xiàn)，采取隔震措施后安全殼的傾角很小，最大的傾角為0.001 37°，比未隔震的結(jié)構(gòu)減小了約90%，說明安全，安全殼在多向地震作用下整體結(jié)構(gòu)的變形很小，沒有發(fā)生整體的晃動(dòng)或扭轉(zhuǎn)，不會(huì)對(duì)反應(yīng)堆造成影響。從加隔震措施前后的頻率變化看，前三階頻率從4～6Hz降低到不到1Hz，這可能對(duì)安全殼底板樓層產(chǎn)生很大影響，如圖9所示。

圖9 安全殼底板樓層特征位置加速度響應(yīng)譜Fig.9 Response spectra at base floor reference point for isolated and not isolated containment

此外，地震荷載（包括加速度時(shí)程或是反應(yīng)譜）的傳播依賴于每個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)特性等動(dòng)力特性，和隔震系統(tǒng)依賴于輸入的極限安全地震動(dòng)時(shí)程的強(qiáng)度相類似。

4 結(jié) 論

本文中建立有隔震和無隔震措施核電站安全殼動(dòng)力響應(yīng)的有限元模型，并對(duì)有隔震和無隔震措施的安全殼在相同的地震動(dòng)輸入，材料和幾何屬性條件下進(jìn)行抗震分析。采用人工加載加速度時(shí)程對(duì)核電站結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部構(gòu)件在極限安全地震動(dòng)工況作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析和評(píng)估，并對(duì)基礎(chǔ)隔震的有效性進(jìn)行研究。通過對(duì)有隔震和無隔震措施安全殼的加速度、位移和相對(duì)位移進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在選擇合理的隔震水平剛度和阻尼比的情況下，基礎(chǔ)隔震措施能有效地減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，驗(yàn)證了隔震技術(shù)的有效性。采取隔震措施后，安全殼結(jié)構(gòu)本身的相對(duì)位移很小，整體變形很小，沒有發(fā)生整體的晃動(dòng)或扭轉(zhuǎn)，但由于隔震措施采用的柔性支撐造成安全殼整體結(jié)構(gòu)水平方向的位移較大，可能會(huì)對(duì)安全殼的連接管路造成影響，因此需要整體的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。

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