考慮基巖特性對核電廠結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特性的影響

彭 曉 平

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

考慮基巖特性對核電廠結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特性的影響

彭 曉 平

(上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

引入集中參數(shù)方法對核島基礎(chǔ)進(jìn)行了模擬和抗震分析，通過壓水堆核電廠核島廠房結(jié)構(gòu)在模態(tài)和時程下的數(shù)值仿真分析結(jié)果，表明非線性的地基分析能更好的模擬地基和核島的相互作用，但差距在工程允許的范圍內(nèi)。

核電廠，彈簧，地震分析，系數(shù)

1 概述

在考慮土結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)，地基巖石和土的物理特性和參數(shù)對結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)將產(chǎn)生重要的影響。對于這一問題，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的分析和研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，且在實(shí)際工程中得到了較好的應(yīng)用。但是考慮巖土與結(jié)構(gòu)的相互作用的問題十分復(fù)雜，涉及到基礎(chǔ)的動力特性，基礎(chǔ)形狀，上部結(jié)構(gòu)體系及動力反應(yīng)等等。

目前我國核電廠均建造在巖石基礎(chǔ)上，在進(jìn)行核島靜力和動力計(jì)算時，為避免土結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜計(jì)算，常以底部固端約束進(jìn)行分析計(jì)算。在荷載作用下特別是在地震荷載作用下底板荷載的分布，以及在地震作用下固定基礎(chǔ)分析與實(shí)際產(chǎn)生的結(jié)果有什么樣的影響是一個非常值得關(guān)注的問題。

本文以核島廠房簡化的集中質(zhì)量桿模型為基礎(chǔ)，分別對基礎(chǔ)采用三種不同的約束方式，在安全停堆地震工況下地震動反應(yīng)進(jìn)行分析比較，確定考慮地基作用對結(jié)構(gòu)的影響效應(yīng)，為核電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一些有益的理論依據(jù)。

2 彈簧系數(shù)k和阻尼系數(shù)c

硬巖用水平向和豎直向彈簧單元模擬，在每個剛性梁節(jié)點(diǎn)處采用粘滯阻尼。基礎(chǔ)梁的每個節(jié)點(diǎn)與核島廠房桿模型底部節(jié)點(diǎn)的連接在所有方向上都是剛性的。硬巖彈簧剛度通過閉合計(jì)算法計(jì)算。南北方向，模型固定在基礎(chǔ)上，桿底部有下面幾個自由度：Y(NS)、Z(豎向)向擺動，繞X(EW)軸旋轉(zhuǎn)。

水平向彈簧剛度和有效阻尼系數(shù)：

(1)

(2)

豎向彈簧剛度和有效阻尼系數(shù)：

(3)

(4)

3 計(jì)算模型的尺寸和參數(shù)

本文計(jì)算使用的是簡化核島桿模型。簡化核島桿模型先由三維實(shí)體殼模型通過計(jì)算生成三維核島桿模型，再由三維核島桿模型最終擬合成一根集中質(zhì)量桿模型，如圖1所示。

核島組合桿模型包括輔助和屏蔽廠房ASB、安全殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)CIS、鋼安全SCV三個部分。比較分析中使用了三種不同約束條件的基礎(chǔ)模型:1)固定基礎(chǔ)模型;2)非線性的彈簧基礎(chǔ)模型?？紤]到核島底板的形狀不規(guī)則，將底板簡化等效成矩形。為簡化分析，計(jì)算只考慮對抬升影響較大的東西方向。

4 時程分析

4.1 樓面譜的比較

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析，并對固定基礎(chǔ)和彈簧基礎(chǔ)的計(jì)算結(jié)果提取樓面譜進(jìn)行比較。分析表明基礎(chǔ)脫開對反應(yīng)譜的影響可忽略不計(jì)，特別是水平向。在豎向上，特別是在標(biāo)高較低位置處，基礎(chǔ)脫開對頻率在10Hz～25Hz范圍的豎向反應(yīng)譜影響稍大。然而基礎(chǔ)脫開在該頻率范圍內(nèi)和ZPA的影響可忽略不計(jì)，選取了61號節(jié)點(diǎn)的樓面反應(yīng)譜比較，見圖2。

4.2 地基反力的比較

根據(jù)時程分析結(jié)果，圖3給出了當(dāng)峰值壓力發(fā)生時東部和西部邊緣的基地反力的時程分布。從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，最大壓力出現(xiàn)在西邊緣。在西邊緣處基礎(chǔ)脫開使壓力增大9%。

5 結(jié)語

本文基于ANSYS軟件對簡化的核島桿模型進(jìn)行了抗震分析，對固定基礎(chǔ)和線性彈簧基礎(chǔ)分析的樓面譜對比，并對基底反力進(jìn)行了計(jì)算和比較得出如下結(jié)論：

1)通過對節(jié)點(diǎn)時程結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn)，非線性分析除去基礎(chǔ)在地震反應(yīng)下的拉應(yīng)力，更符合地基的實(shí)際反應(yīng)。

2)通過線性和非線性基礎(chǔ)的比較，兩者時程分析的最大地基反力發(fā)生在西部邊緣，非線性分析結(jié)果最大只超過了線性結(jié)果的9%，而在東部邊緣基本一致。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)非線性的地基分析能更好的模擬地基和核島的相互作用，但其分析結(jié)果與固端約束基礎(chǔ)的計(jì)算的差距并不大，在工程允許的范圍內(nèi)，巖石基礎(chǔ)固定約束進(jìn)行分析是可行的。

[1] ASCE 4-98，Seismic Analysis of Safety Related Nuclear Structure[S].

[2] 李 杰,李國強(qiáng).地震工程學(xué)導(dǎo)論[M].北京：地震出版社,2003.

[3] 李忠獻(xiàn)，李忠誠，梁萬順.考慮地基巖土參數(shù)不確定性的核電廠結(jié)構(gòu)隨機(jī)地震反應(yīng)分析[J].核動力工程，2006(2):30-35.

[4] 陳 立，張燎軍.基于地震動土壓力非線性分布的集中參數(shù)法研究[J].水電能源科學(xué)，2012(1):131-134.

Effects of seismic response for nuclear power station structure considering the characteristic of rock foundation

Peng Xiaoping

(ShanghaiNuclearEngineeringResearch&DesignInstitute,Shanghai200233,China)

Unclear basement simulation and seismic analysis is carried out by introducing concentrated parameter method. A numerically analysis about modal and time history is used for the unclear island building， it shows that non-linear base have more effect for the simulation of basement, but the department is small. The fixed restriction is acceptable in engineering.

nuclear power station， spring， seismic analysis, coefficient

2014-11-22

彭曉平(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)04-0046-02

TU352

A