超設(shè)計地震作用下核島結(jié)構(gòu)三維震動響應(yīng)與控制研究

莊初立， 張永山， 汪大洋

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 廣州 510006)

超設(shè)計地震作用下核島結(jié)構(gòu)三維震動響應(yīng)與控制研究

莊初立， 張永山， 汪大洋

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 廣州 510006)

建立了AP1000核島結(jié)構(gòu)(屏蔽廠房和鋼制安全殼)的ANSYS有限元模型，將ANSYS模態(tài)分析結(jié)果與既有研究成果和Midas Gen計算結(jié)果對比，驗證了核島結(jié)構(gòu)有限元模型的正確性，基于此模型開展安全停堆和超設(shè)計地震下的核島結(jié)構(gòu)三維震動響應(yīng)研究，引入基礎(chǔ)隔震控制技術(shù)，研究隔震核島結(jié)構(gòu)在超設(shè)計地震作用下的震動控制效果。研究結(jié)果表明，AP1000核島結(jié)構(gòu)在超設(shè)計地震作用下，水平和豎向加速度響應(yīng)劇烈，頂點最大水平和豎向加速度分別為安全停堆地震下的3.31倍和3.33倍，屏蔽廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過材料容許應(yīng)力進入非線性狀態(tài)。采用基礎(chǔ)隔震控制后核島結(jié)構(gòu)在超設(shè)計地震下的相對水平加速度、上部結(jié)構(gòu)相對水平位移、構(gòu)件內(nèi)力和基底剪力等地震反應(yīng)大幅降低，基底剪力減小率均達78%以上，隔震控制效果理想，基礎(chǔ)隔震技術(shù)能有效地解決超設(shè)計地震下核島結(jié)構(gòu)的地震安全問題。

核島結(jié)構(gòu)；三維震動；超設(shè)計地震；基礎(chǔ)隔震

核電建設(shè)是我國能源建設(shè)的一項重要政策，隨著《核電安全規(guī)劃(2011-2020年)》和《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》相繼實施，我國核電站建設(shè)迎來新一輪高峰期。然而，地震不確定性和隨機性給核電站帶來安全威脅，2007年日本新潟縣發(fā)生強地震，柏崎刈羽核電站遭受超過原設(shè)計基準的地震動，其中2號機組基底記錄到的水平加速度最大值為606 gal，超過設(shè)計值的3.6倍，對廠址上的非安全相關(guān)建筑物和構(gòu)筑物造成了較為嚴重的破壞[1-2]。我國大部分區(qū)域處于地震區(qū)，近年來強震頻發(fā)給核電站帶來安全隱患，假想在類似汶川和玉樹等原屬于低烈度區(qū)(0.1～0.15g)上建有核電站，汶川地震時震中區(qū)水平加速度記錄達0.4～0.8g，那么核電站將遭遇兩倍于安全停堆地震的作用[3]，因此如何確保核電站在超設(shè)計地震作用時的安全，成為亟待解決的問題。

目前，三向地震動下核島結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)問題鮮有研究，周國良等[4]分析安全停堆地震下核島廠房動力響應(yīng)時發(fā)現(xiàn)反應(yīng)譜分析結(jié)果比三向地震時程分析結(jié)果偏小，建議采用時程法進行校核驗算。賀秋梅等[5]對某高溫氣冷堆核電廠進行了安全停堆三向地震時程分析，得出應(yīng)重點關(guān)注豎向地震動對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。目前研究關(guān)注于安全停堆地震下核島結(jié)構(gòu)的三向地震反應(yīng)，而對于超設(shè)計地震下核島結(jié)構(gòu)的三向地震響應(yīng)研究并沒有涉及。超設(shè)計強震作用下核電站地震安全問題的解決方案研究較為薄弱，而結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)能有效減輕地震作用，可應(yīng)用于核電結(jié)構(gòu)提高其抗震安全性[6-7]，保護核電站在遭遇強震時結(jié)構(gòu)構(gòu)件、管道、設(shè)備等的安全性，避免發(fā)生核事故，本文以AP1000核島結(jié)構(gòu)為研究對象，研究核島結(jié)構(gòu)在安全停堆和超設(shè)計地震作用下的三向地震響應(yīng)規(guī)律，引入基礎(chǔ)隔震技術(shù)，解決突發(fā)強震時核電站的地震安全問題。

1 AP1000核島結(jié)構(gòu)有限元建模與驗證

1.1 模型的建立

AP1000是美國西屋電氣公司采用非能力安全系統(tǒng)的概念來改進核電站的安全，并且簡化設(shè)計來提高核電站的安全、建造、運行和維護，屬于第三代核電技術(shù)。AP1000的反應(yīng)堆安全殼結(jié)構(gòu)(如圖1所示)由鋼制安全殼和屏蔽廠房組成，屏蔽廠房為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用C45級混凝土，鋼制安全殼為薄殼結(jié)構(gòu)采用SA738B級高強鋼材。目前AP1000在美國尚無運行業(yè)績，而我國在建的三門核電站和海陽核電站均采用AP1000核電技術(shù)。

圖1 AP1000核島結(jié)構(gòu)Fig.1 AP1000 nuclear island structure

采用ANSYS軟件建立AP1000核島結(jié)構(gòu)精細化有限元模型，假定AP1000核島結(jié)構(gòu)位于硬巖石廠址，因此土壤與結(jié)構(gòu)的相互作用可忽略不計[8]，核島結(jié)構(gòu)采用固結(jié)的方式與基礎(chǔ)相連，底部邊界條件采用固定約束的方式。采用shell181單元，該單元適用于模擬薄殼至中等厚度殼結(jié)構(gòu)，有限元模型共劃分16 112個單元，13 868個節(jié)點，在屏蔽廠房進氣孔處劃分500 mm，安全殼、屏蔽廠房和筏板基礎(chǔ)的劃分尺寸分別為1 600 mm、1 400 mm和800 mm，有限元模型如圖2所示。安全殼鋼材采用SA738型B級鋼，本構(gòu)采用理想彈塑性模型，屈服應(yīng)力為415 MPa，鋼材的彈性模量E=200 000 MPa，泊松比v=0.3。屏蔽廠房采用C45混凝土，泊松比v=0.2，混凝土本構(gòu)采用Rüsch建議的模型[9]，如圖3所示。

當ε≤ε0時(上升段)

(1)

當ε0≤ε≤εu時(下降段)

σ=fc

(2)

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度，取fc=29.6 N/mm2；ε0為相應(yīng)于峰值應(yīng)力時的應(yīng)變，取ε0=0.002；εu為極限壓應(yīng)變，取εu=0.003 5。

圖2 AP1000核島結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of nuclear island structure

圖3 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of normal concrete

1.2 模型的驗證

為保證分析模型的正確性，將AP1000核島結(jié)構(gòu)ANSYS模型的模態(tài)分析結(jié)果與現(xiàn)有核電站核島結(jié)構(gòu)研究文獻進行對比，如表1所示，從表1中可以看出，核電站安全殼結(jié)構(gòu)作為核反應(yīng)堆的最后一道屏障，安全性能十分重要，混凝土壁厚基本為1.0 m，安全殼結(jié)構(gòu)均具有較大的剛度。本文的分析模型第一階自振頻率為4.04 Hz，與表1中既有文獻的頻率數(shù)據(jù)較為接近，AP1000核島結(jié)構(gòu)高度比一般的核島結(jié)構(gòu)要高一些，所以其頻率與既有研究成果相比有所降低，核島結(jié)構(gòu)第一振型均為梁式平動。此外，還采用第二個有限元軟件Midas Gen進行校核驗證，Midas Gen計算所得第一階頻率為3.85 Hz，與ANSYS結(jié)果誤差僅為4.70%，圖4給出了在安全停堆地震作用下兩個軟件的時程計算結(jié)果，從圖中可知其位移和加速度結(jié)果相當吻合。因此，本文所建立的AP1000核島結(jié)構(gòu)有限元模型較為合理。

表1 核島結(jié)構(gòu)模型計算結(jié)果與既有結(jié)果對比

(a)安全殼頂點X向位移對比

(b)安全殼頂點X向加速度對比圖4 ANSYS與Midas Gen計算結(jié)果對比Fig.4 Comparison of calculation results between ANSYS and Midas

2 AP1000核電站地震動輸入

AP1000核電站抗震I類SSCs必須能夠承受安全停堆地震，并保證在地震發(fā)生時執(zhí)行其預(yù)定安全功能的能力，根據(jù)美國核管委管理導(dǎo)則RG1.29的分類，AP1000抗震I類構(gòu)筑物包括屏蔽廠房、鋼安全殼及安全殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)和輔助廠房，故而本文分析的AP1000核島結(jié)構(gòu)必須要能夠承受安全停堆地震(0.3g)。采用AP1000設(shè)計反應(yīng)譜為目標譜擬合人工時程，AP1000核電站設(shè)計反應(yīng)譜，是基于美國核電管理導(dǎo)則RG1.60譜并研究高頻區(qū)域的放大影響而經(jīng)評價后確定的。

AP1000核電廠用于抗震I類結(jié)構(gòu)的地震動為三個相互獨立正交、統(tǒng)計獨立的的人工合成加速度時程，擬合的設(shè)計時程其總持時不小于20 s，包括一個持續(xù)時間超過6 s，相對穩(wěn)定的、強烈的地面運動。所采用的設(shè)計時程是根據(jù)Taft實際地震記錄的綜合時程曲線進行修改而生成的，采用Abrahamson等[15-16]提出的小波算法對實際強震記錄進行修正，其方程函數(shù)如式(3)

(3)

Δt處的漸變余弦小波函數(shù)為

(4)

ψj(f)使用三線性模型來確定

(5)

式中,各參數(shù)含義詳見文獻[16]。

以AP1000標準反應(yīng)譜為目標譜對Taft加速度時程進行修正生成三條人工時程，計算中阻尼比采用0.05，總持時為30 s，步長為0.01 s。此外還選取了Kery County和Qian An波作為時程分析輸入，人工時程和天然波與5%阻尼比AP1000設(shè)計反應(yīng)譜吻合較好，地震波的頻譜曲線如圖5所示。

(a)水平地震波譜曲線

(b)豎向地震波譜曲線圖5 地震波譜曲線Fig.5 The spectrum curves of earthquake waves

對核島結(jié)構(gòu)進行地震時程分析時設(shè)置了0.2g、0.3g、0.4g、0.6g、0.8g、1.0g共六組加速度峰值工況，進行三向地震時程分析，結(jié)構(gòu)阻尼采用常用的瑞利阻尼模型，其中阻尼比取0.05[17]?？紤]到實際所記錄到的強震記錄其豎向加速度峰值有接近或大于水平加速度峰值的情況[18]，故本文分析時豎向峰值地面加速度保守地假定與水平方向取值相同。

3 AP1000核島結(jié)構(gòu)三維地震響應(yīng)研究

3.1 加速度響應(yīng)分析

圖6給出了在安全停堆地震和超設(shè)計地震作用下沿屏蔽廠房高度分布的最大水平和豎向加速度峰值。由圖6知，三組地震波作用下的屏蔽廠房水平加速度沿結(jié)構(gòu)外壁高度變化規(guī)律一致，最大水平加速度發(fā)生在屏蔽廠房頂點處，隨著地震輸入強度的增加，屏蔽廠房水平加速度顯著增大，超設(shè)計地震作用下屏蔽廠房頂點加速度過大，其中1.0g工況時最大水平加速度達52.54 m/s2(人工波)，為安全停堆地震下的3.31倍。超設(shè)計地震作用下核島結(jié)構(gòu)遭遇的動力響應(yīng)為設(shè)計地震動下的數(shù)倍，威脅結(jié)構(gòu)構(gòu)件及內(nèi)部設(shè)備管道的使用狀態(tài)，應(yīng)當引起足夠的重視。

三向地震作用下屏蔽廠房沿外壁高度分布的豎向加速度在結(jié)構(gòu)高度約60 m處突變，原因在于屏蔽廠房約60 m處由圓錐形混凝土壁支承著上部達2 800 m3容積的冷卻水箱，結(jié)構(gòu)豎向剛度有所減小且上部冷卻水箱質(zhì)量較大，造成豎向加速度突變，放大了豎向加速度響應(yīng)，Kern County、QianAn和人工波作用下，頂點處的豎向加速度峰值放大為屏蔽廠房60 m處的倍數(shù)分別為2.94、2.19和1.70。超設(shè)計地震1.0g工況下屏蔽廠房頂點最大豎向加速度達41.13 m/s2(QianAn波)，為安全停堆地震下的3.33倍，超設(shè)計地震作用下的強烈加速度響應(yīng)對核島結(jié)構(gòu)構(gòu)件、管道和設(shè)備構(gòu)成極大的安全威脅?？梢?，AP1000核島結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該著重分析豎向地震動所帶來的不利影響。

(a)Kern County波 (b)QianAn波 (c)人工波 圖6 屏蔽廠房最大加速度響應(yīng)Fig.6 Maximum acceleration responses of the shield structure

3.2 位移響應(yīng)分析

圖7給出了安全停堆地震和超設(shè)計地震下屏蔽廠房沿外壁高度分布的位移響應(yīng)。由圖7知，AP1000屏蔽廠房外壁水平位移峰值隨結(jié)構(gòu)高度逐漸增大，無明顯突變現(xiàn)象，安全停堆地震下最大水平位移為20.30 mm(人工波)，超設(shè)計地震1.0g工況下最大水平位移為67.14 mm(人工波)，為安全停堆地震下的3.31倍，但由于屏蔽廠房結(jié)構(gòu)整體剛度大，在安全停堆和超設(shè)計地震下其水平位移峰值較小。

屏蔽廠房豎向位移同樣在圓錐形混凝土壁處發(fā)生突變，Kern County、QianAn和人工波作用下頂點處的豎向位移峰值放大為屏蔽廠房60 m處的倍數(shù)分別為1.47、2.29和1.40。在超設(shè)計地震1.0g工況下屏蔽廠房的最大豎向位移為11.11 mm(人工波)，雖然在沒有考慮冷卻水箱儲水的情況下，在三向地震波作用下其豎向位移峰值不大，但考慮到上部冷卻水箱結(jié)構(gòu)的響應(yīng)放大及水箱容積之大，其豎向地震不容忽視。

(a)Kern County波 (b)QianAn波 (c)人工波 圖7 屏蔽廠房最大位移響應(yīng)Fig.7 Maximum displacement responses of the shield structure

3.3 應(yīng)力響應(yīng)分析

表2給出了不同地震動峰值工況下AP1000屏蔽廠房結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力。從表2中可以看出，在安全停堆地震(0.3g)作用下屏蔽廠房最大壓應(yīng)力為11.8 MPa，在容許應(yīng)力范圍之內(nèi)，超設(shè)計地震作用下有達到混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的峰值29.6 MPa，此時結(jié)構(gòu)進行非線性狀態(tài)。日本柏崎刈羽核電站在遭遇超設(shè)計地震作用時造成了非安全相關(guān)建、構(gòu)筑物的嚴重破壞，因此，核島結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中需要考慮超設(shè)計基準的保守性。

表2 各工況下屏蔽廠房最大壓應(yīng)力

4 AP1000核島結(jié)構(gòu)隔震控制研究

4.1 隔震設(shè)計

隔震結(jié)構(gòu)通過在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)間設(shè)置隔震支座，使上部結(jié)構(gòu)與地震動水平成分隔離，其中隔震支座由夾層薄鋼板和薄橡膠片相互交錯疊置制作而成，橡膠片受壓時的壓縮變形較大，橡膠片向水平方向膨脹，因此能降低承載能力。針對AP1000核島結(jié)構(gòu)在超設(shè)計地震作用下其加速度反應(yīng)強烈，危及到結(jié)構(gòu)構(gòu)件、管道和設(shè)備安全以及屏蔽廠房進入非線性問題，引入基礎(chǔ)隔震技術(shù)，進行結(jié)構(gòu)震動控制研究。隔震支座建模時采用COMBIN14單元模擬豎向性能，水平方向性能采用COMBIN40單元模擬，通過在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)間加入隔震單元，固結(jié)隔震單元兩端節(jié)點，構(gòu)成隔震體系。

核島結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計采用高阻尼橡膠支座，高阻尼橡膠隔震支座是一種具有較小水平剛度、良好濾波和能量耗散能力的裝置，采用雙線性模型模擬高阻尼隔震支座的滯回曲線(見圖8)。在核島結(jié)構(gòu)底部布置了217個高阻尼橡膠隔震支座，該支座豎向極限承載力為7 700 kN，等效水平剛度(100%)為1.25 kN/mm，支座高度374 mm，其中橡膠總厚度為204 mm，最大變形為280 mm。采用基礎(chǔ)隔震技術(shù)后結(jié)構(gòu)周期延長為3.37 s。圖9較明顯地展示了非隔震與隔震核島結(jié)構(gòu)的變形差異，隔震后上部結(jié)構(gòu)在水平方向上做平動運動。

圖8 高阻尼橡膠支座雙線性模型Fig.8 Bilinear hysteretic model of high damping rubber bearings

(a)非隔震 (b)隔震圖9 隔震與非隔震核島結(jié)構(gòu)第一階振型Fig.9 The first mode of isolated and non-isolated structure

4.2 加速度響應(yīng)對比

以人工波為例，對比非隔震與隔震核島結(jié)構(gòu)的水平加速度響應(yīng)(見圖10)，隔震后屏蔽廠房沿高度分布的水平加速度變化不明顯，水平加速度大幅度減小，1.0g工況時頂點水平加速度減幅高達77.54%，隔震后有效地控制了核島結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，上部結(jié)構(gòu)水平加速度沿高度基本不變，相比于隔震前核島結(jié)構(gòu)由搖擺運動轉(zhuǎn)變?yōu)槠絼印?/p>

圖10 人工波作用下屏蔽廠房最大水平加速度Fig.10 Maximum horizontal acceleration of the shield structure under artificial wave

4.3 位移響應(yīng)對比

圖11所示為非隔震與隔震核島結(jié)構(gòu)在Kern County波作用下核島結(jié)構(gòu)水平方向沿高度分布的最大位移曲線。非隔震核島結(jié)構(gòu)在各工況下呈現(xiàn)明顯的剪切變形，而隔震核島結(jié)構(gòu)位移集中于隔震層，上部結(jié)構(gòu)基本上近似剛體平動，結(jié)構(gòu)相對水平位移很小。在安全停堆地震作用下隔震支座變形在限值280 mm之內(nèi)，當超設(shè)計地震達0.6g時支座變形超過限值，因此在進行核島結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計時，應(yīng)考慮采用大直徑隔震支座及采取相應(yīng)的限位措施，以保證核島結(jié)構(gòu)在超設(shè)計地震下的性能。

4.4 應(yīng)力響應(yīng)對比

設(shè)置高阻尼橡膠隔震支座后，人工波作用時屏蔽廠房混凝土最大壓應(yīng)力在各工況下均減小80%左右(見圖12)，且隔震后屏蔽廠房混凝土最大壓應(yīng)力均在容許應(yīng)力范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，有效地保護了核島結(jié)構(gòu)構(gòu)件在超設(shè)計地震作用下不致破壞。

4.5 基底剪力響應(yīng)對比

表3所示為Kern County波作用下非隔震與隔震核島結(jié)構(gòu)最大基底剪力對比。在各工況下，隔震核島結(jié)構(gòu)基底剪力減小率都達78%以上。

5 結(jié) 論

建立了AP1000核島結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元模型，與現(xiàn)有研究成果和Midas Gen計算結(jié)果對比，驗證了所建立核島結(jié)構(gòu)有限元模型的正確性，基于此模型，分析安全停堆和超設(shè)計地震作用下核島結(jié)構(gòu)的三維地震響應(yīng)，對核島結(jié)構(gòu)進行隔震控制，研究基礎(chǔ)隔震技術(shù)解決超設(shè)計地震下響應(yīng)過大問題的有效性，主要結(jié)論如下：

(1)三向地震作用下，屏蔽廠房水平加速度、水平位移峰值沿結(jié)構(gòu)高度均勻變化且最大值發(fā)生在屏蔽廠房頂部，豎向加速度、豎向位移峰值均在冷卻水箱處發(fā)生突變快速增大，最大值同樣發(fā)生在屏蔽廠房頂部，應(yīng)對超設(shè)計地震下核島結(jié)構(gòu)的豎向響應(yīng)引起重視。

(2)超設(shè)計地震作用下，其加速度響應(yīng)為安全停堆地震下的數(shù)倍，頂點最大水平、豎向加速度為安全停堆地震下的3.31倍和3.33倍。

(3)超設(shè)計地震作用下對核島結(jié)構(gòu)構(gòu)件、管道和設(shè)備構(gòu)成極大的安全威脅，屏蔽廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)力超過材料容許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)進入非線性狀態(tài)。

(4) 采用隔震控制后，核島結(jié)構(gòu)加速度、位移、應(yīng)力和基底剪力等得到較好地控制，有效地解決了超設(shè)計地震下核島結(jié)構(gòu)響應(yīng)強烈的問題。此外進行核島結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計時應(yīng)盡可能采用大直徑隔震支座及采取相應(yīng)的限位措施，以保證核島結(jié)構(gòu)在超設(shè)計地震作用下的性能。

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A study on three-dimensional seismic vibration response and vibration control of a nuclear island structure under beyond-design basis earthquake

ZHUANG Chuli, ZHANG Yongshan, WANG Dayang

(School of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

A three-dimensional finite element model of AP1000 nuclear island structure (shield building and containment vessel) was built by using ANSYS program. In order to ensure the accuracy of the finite element model, the model was analyzed in two finite element analysis software sets and the results from the two analyses were compared. Moreover, the ANSYS results were compared with the results in literature. The finite element model in ANSYS was used to study the three-dimensional seismic vibration response of nuclear island structure under safe shutdown earthquake and beyond-design basis earthquake. The seismic isolation technology was introduced, and analysis was performed to investigate its effectiveness under beyond-design basis earthquake. The seismic responses of the non-isolated nuclear island structure increased remarkably under the beyond-design basis earthquake compared to the safe shutdown earthquake; the top horizontal and vertical acceleration increased by 3.31 and 3.33 times, respectively, and the seismic stresses in the shield building structure exceeded the allowable stresses of materials. Compared to the non-isolated nuclear island structure, the base seismic isolation system had largely reduced horizontal accelerations, superstructure displacements, seismic stresses and base shear force under the beyond-design basis earthquake. With the base isolation, the rate of reduction in the base shear force was more than 78%. Therefore the base seismic isolation system can effectively ensure the safety of a nuclear island structure under the beyond-design basis earthquake.

nuclear island structure; three-dimensional seismic vibration; beyond-design basis earthquake; base seismic isolation

國家自然科學(xué)基金項目(51378135；51408140)；教育部博士點基金項目(20134410120003)；廣州市科技計劃項目(201510010291)

2016-04-05 修改稿收到日期： 2016-06-30

莊初立 男，博士生, 1990年生

張永山 男，博士，教授，1964年生

TU352.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.037