核電站安全殼隔震可靠度研究

王藝萍,趙玉靜（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司,山東　榮成　264312）

核電站安全殼隔震可靠度研究

王藝萍,趙玉靜
（國(guó)核示范電站有限責(zé)任公司,山東榮成264312）

摘要：核電作為一種效率高、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的清潔能源，是我國(guó)能源的重要保障。但是，在利用核能進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程中，如果不注意安全，也會(huì)給人類帶來(lái)巨大的災(zāi)難，因此必須提高核電的安全性。隔震技術(shù)是通過(guò)結(jié)構(gòu)自振周期的延長(zhǎng)而減少上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中，而在核電站的安全殼建設(shè)中也可以應(yīng)用隔震技術(shù)，以提高核電站的安全性。本文通過(guò)對(duì)安全殼隔震技術(shù)進(jìn)行探討，對(duì)核電站安全殼隔震的可靠度進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：核電站；安全殼；隔震；可靠度

0　引言

在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步的過(guò)程中，對(duì)電力的需求也越來(lái)越多，我國(guó)的用電量逐年增加，整體的電力供應(yīng)緊張，因此必須考慮采用一種更高效的技術(shù)進(jìn)行發(fā)電。核電是一種通過(guò)核能進(jìn)行發(fā)電的方法，能夠保證發(fā)電的高效性、可持續(xù)性和環(huán)保。但是在核能發(fā)電的過(guò)程中也存在著很大的危險(xiǎn)，因此需要采用一定的技術(shù)保證核電的安全，安全殼就是有效的方法之一。而在安全殼的建設(shè)中采用隔震技術(shù)能夠提高安全殼的安全效果，但是其可靠度仍需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1　通過(guò)建模的方式進(jìn)行隔震與不隔震的比較

在進(jìn)行安全殼隔震可靠度的研究時(shí)，能夠通過(guò)模型的建立對(duì)一系列響應(yīng)進(jìn)行分析，從而對(duì)抗震可靠度進(jìn)行研究，因此模型的建立是十分重要的。筆者利用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模型的建立和分析。

1.1核電站安全殼不隔震模型的建立

安全殼是由圓柱形筒體和半球形穹頂兩部分組成的。我們采用等級(jí)強(qiáng)度為C50的混凝土，設(shè)定圓柱形筒體的內(nèi)徑為40m，筒壁的厚度為1.1m，高度為48m，設(shè)定半球形穹頂?shù)谋诤駷?.9m，底部的基礎(chǔ)板厚為6.5m，最終設(shè)定的安全殼總高度為68.9m，并在水平角度為0和180度的位置設(shè)置了兩個(gè)扶壁柱，在水平角度90度，高度為25.6m的位置設(shè)定了直徑為7m的設(shè)備閘門孔。經(jīng)過(guò)計(jì)算，安全殼的凈自由容積在6萬(wàn)平方米以上，并設(shè)定內(nèi)壓為0.4MPa。

考慮到穹頂與筒體的厚度不一致，我們采用SOLID65單元進(jìn)行安全殼和筒體的建筑模擬，采用SHELL63單元進(jìn)行穹頂?shù)哪M，通過(guò)采用不同的單元，能夠保證安全殼受力的真實(shí)性，便于之后進(jìn)行受力等各方面的分析。

1.2核電站安全殼隔震模型的建立

核電站安全殼的隔震模型是在不隔震模型的基礎(chǔ)上加上隔震支座來(lái)實(shí)現(xiàn)的，我們選用鉛芯橡膠隔震支座進(jìn)行模型的建立，我們采用型號(hào)為GZY1100-220的鉛芯橡膠隔震制作，橡膠外徑為1100mm，鉛芯直徑為220mm，橡膠總厚度為6mm，隔振器總高度為294.6mm。核電站的安全殼屬于甲類建筑物，按照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，豎向的載荷低于平均壓力的限值為10MPa。通過(guò)計(jì)算，在進(jìn)行模型建立時(shí)為了比較的時(shí)候能夠統(tǒng)一，等效水平剛度和等效阻尼比均取100%，且隔震制作的布置均勻?qū)ΨQ，以保證剛心與質(zhì)心重合，避免在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在建模過(guò)程中，隔震結(jié)構(gòu)采用彈簧阻尼單元COMBIN14，通過(guò)該單元的模擬使得隔震支座能夠?qū)崿F(xiàn)100%剪切應(yīng)變的等效剛度和等效阻尼比。

1.3核電站安全殼不隔震與隔震的性能比較

通過(guò)利用ANSYS軟件的建模模擬，我們得到了核電站安全殼不隔震與隔震的模型，然后得到了兩種情況下的反應(yīng)譜，利用反應(yīng)譜分析法和時(shí)程分析法對(duì)核電站安全殼兩種情況進(jìn)行了對(duì)比。其中，反應(yīng)譜是指通過(guò)單自由度彈性體系在地震作用下反應(yīng)的最大值的絕對(duì)值與其自振特性之間的關(guān)系而得到的響應(yīng)譜。采用單點(diǎn)響應(yīng)譜的方法進(jìn)行分析，即在模型的一個(gè)點(diǎn)集上對(duì)響應(yīng)譜線進(jìn)行定義。而時(shí)程分析法是通過(guò)運(yùn)動(dòng)方程直接求解的方式，對(duì)地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)進(jìn)行描述，又被稱作直接動(dòng)力法。

通過(guò)圖像和方程的比較、計(jì)算和分析，可以看出，在核電站安全殼的不隔震和隔震模型的動(dòng)力特性中，安全殼采用隔震結(jié)構(gòu)后，振動(dòng)周期遠(yuǎn)大于不隔震的振動(dòng)周期，這樣在實(shí)際地震發(fā)生時(shí)，隔震支座就能夠有效地隔離地表的振動(dòng)，并且由于核電站的安全殼剛度較大，在采用隔震結(jié)構(gòu)后主要振型是基本振型，因此方便了對(duì)動(dòng)力反應(yīng)的控制和預(yù)測(cè)。通過(guò)反應(yīng)譜的分析可以看出，在地震發(fā)生時(shí)，不隔震結(jié)構(gòu)的筒壁與基礎(chǔ)交接處的應(yīng)力是最大的，洞口周圍應(yīng)力也較大，而采用隔震結(jié)構(gòu)后，使得機(jī)構(gòu)反應(yīng)的加速度和筒壁相對(duì)位移大大減小，提高了核電站安全殼主體的抗震裕度，從而提高了核電站的安全性。

2　核電站安全殼隔震與不隔震可靠度對(duì)比

通過(guò)采用建模的方法我們對(duì)安全殼采用隔震結(jié)構(gòu)與不采用隔震結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行了分析，同樣的，我們利用這種模型也能夠?qū)穗娬景踩珰じ粽鹋c不隔震的可靠度進(jìn)行對(duì)比與分析。采用的方法是基于反應(yīng)譜的抗震可靠度法，同時(shí)采用拉丁超立方體抽樣技術(shù)，通過(guò)對(duì)核電站安全殼采用隔震結(jié)構(gòu)與不采用隔震結(jié)構(gòu)的抗震可靠度進(jìn)行了分析。

2.1可靠度

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，隔震支座的建立能夠有效的控制核電站安全殼結(jié)構(gòu)的開裂情況。雖然增加了隔震支座結(jié)構(gòu)之后會(huì)使得隔震層發(fā)生位移且影響到了安全殼結(jié)構(gòu)與地面的相對(duì)位移，但是經(jīng)過(guò)分析也可以知道只要采用了合理的材料，滿足一定的等效水平剛度和等效阻尼比，就能夠隔震層的位移，從而增加隔震結(jié)構(gòu)的可靠度。

2.2彈性

通過(guò)對(duì)參數(shù)敏感性進(jìn)行分析，可以知道，對(duì)核電站安全殼結(jié)構(gòu)的彈性影響較大的參數(shù)為混凝土和鋼筋的彈性模量以及混凝土的泊松比和筒壁的厚度。當(dāng)不采用隔震結(jié)構(gòu)時(shí)，譜控制點(diǎn)在水平方向反應(yīng)譜的加速度敏感區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大，而采用了隔震結(jié)構(gòu)的安全殼在水平方向反應(yīng)譜的位移敏感區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較大。因此核電站安全殼進(jìn)行水平隔震后，豎向分量就會(huì)對(duì)處于地震中的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)重的影響。

3　總結(jié)

通過(guò)對(duì)核電站安全殼隔震和不隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立，并采用反應(yīng)譜分析法和時(shí)程分析法對(duì)兩種結(jié)構(gòu)在地震中的特性和抗震可靠度進(jìn)行了比較。通過(guò)對(duì)比可以知道，當(dāng)核電站安全殼采用隔震結(jié)構(gòu)后，能夠減少筒壁與基礎(chǔ)之間的位移，從而保證安全殼的可靠性，只要采用一定的材料保證參數(shù)達(dá)到要求，就能夠從很大程度上保證核電站安全殼的隔震效果。對(duì)于核能發(fā)電來(lái)說(shuō)，安全殼起到了防止核能泄露和減少核輻射的作用，因此加大其抗震可靠度對(duì)于核電的發(fā)展是十分重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙春風(fēng),陳健云.基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)對(duì)核電站安全殼抗震的影響[J].爆炸與沖擊,2014,34(05):615-621.

[2]孫鋒,潘蓉,王威等.某核電站安全殼隔震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律初探[J].工程抗震與加固改造,2014,36(03):27-30.

[3]賈允,蔡友軍.核電站安全殼隔震支座剛度研究[J].低溫建筑技術(shù),2015,37(06):51-53.