某核電站安全殼隔震動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律初探

陳楊

摘要：在核電站的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，保證其安全可靠是極為關(guān)鍵的，核電廠核島最重要廠房結(jié)構(gòu)——安全殼是核反應(yīng)堆承受事故的最后一道安全屏障，對(duì)安全殼的抗震設(shè)計(jì)是核電站設(shè)計(jì)的重中之重，歷來(lái)就是國(guó)內(nèi)外土建界關(guān)心和研究的重點(diǎn)。隔震結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念，是指在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)面之間設(shè)置某種隔震裝置，既能很好的承擔(dān)結(jié)構(gòu)的豎向荷載，又因?yàn)樗膫?cè)向剛度比較低，能夠增大結(jié)構(gòu)的自振周期和減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而確保上部結(jié)構(gòu)安全。隔震技術(shù)已在各國(guó)得到了比較廣泛的關(guān)注，并廣泛運(yùn)用于各種房屋建筑、公路橋梁及結(jié)構(gòu)的加固中。本文對(duì)于核電站的安全殼隔震能力進(jìn)行了評(píng)估，通過(guò)動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律的考察來(lái)對(duì)其進(jìn)一步的發(fā)展進(jìn)行探討，力求提升核電站的運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：核電站；安全殼；隔震

隔震技術(shù)現(xiàn)已在世界各國(guó)得到了比較廣泛的關(guān)注，并廣泛運(yùn)用于各種房屋建筑、公路橋梁及結(jié)構(gòu)的加固中。其具有雙屈服面的彈塑性，在工程上有著更加實(shí)際的應(yīng)用，它可以對(duì)于堆石料中的剪脹特性進(jìn)行反應(yīng)，相對(duì)于一些傳統(tǒng)的非線(xiàn)性的模型，其能夠更加合理的反映出其物理特性，同時(shí)還可以利用鄧肯模型的相關(guān)分析，來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，因此其有著越來(lái)越重要的地位。使用了廣義位勢(shì)理論來(lái)對(duì)于本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了探討，通過(guò)對(duì)于塑性函數(shù)以及屈服函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而減小了誤差，使得計(jì)算更加的具有準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)性。多重勢(shì)面模型通過(guò)利用鄧肯的模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于一些特性進(jìn)行了良好的反映，其在應(yīng)用過(guò)程中具有更加實(shí)用的作用，是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)比較突出的模型。

1隔震技術(shù)原理

隔震結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)理念，是指在結(jié)構(gòu)底部與基礎(chǔ)面之間設(shè)置某種隔震裝置，既能很好的承擔(dān)結(jié)構(gòu)的豎向荷載，又因?yàn)樗膫?cè)向剛度比較低，能夠增大結(jié)構(gòu)的自振周期和減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而確保上部結(jié)構(gòu)安全。我國(guó)學(xué)者從二十世紀(jì)六十年代開(kāi)始關(guān)注結(jié)構(gòu)隔震理論，廣州周福霖院士，湖南大學(xué)黃為明等對(duì)疊層橡膠墊的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并陸續(xù)在國(guó)內(nèi)建設(shè)了一些隔震建筑，其中有些建筑經(jīng)歷了地震的考驗(yàn)，證實(shí)了隔震的有效性。Goodman模型可以對(duì)于其切向的變化進(jìn)行有效的描述，同時(shí)也可以進(jìn)行接觸面的仿真，因?yàn)槠渲饕峭ㄟ^(guò)假設(shè)來(lái)參照，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移的計(jì)算，但是它的主要問(wèn)題在于人為的指定有可能會(huì)使得最終的迭代計(jì)算出現(xiàn)一定的問(wèn)題，使得偏差變大，土木的單元出現(xiàn)脫離的情況，不符合實(shí)際情況，這是無(wú)厚度單元的不足之處。在之前對(duì)于隔震技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的分析時(shí)，很多時(shí)候采用的是Duncan E-v的方案，但是這也存在著一些問(wèn)題，主要在于其可能會(huì)造成所計(jì)算出來(lái)的應(yīng)力和真正的水平的位移出現(xiàn)一定的偏差，所以我們利用鄧肯的模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行替代，根據(jù)實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)于其參數(shù)進(jìn)行分析與計(jì)算，同時(shí)因?yàn)槠涫褂帽容^簡(jiǎn)單，精確度較高，那么就在混凝土的計(jì)算當(dāng)中有著大量的應(yīng)用，同時(shí)也為這個(gè)方法而發(fā)布了很多成果，這個(gè)模型在進(jìn)行一定的改進(jìn)之后，所得到的結(jié)果是非?？煽康模粌H能夠滿(mǎn)足工程上的要求，也能使得石壩更加的安全。但是其問(wèn)題就在于對(duì)于剪脹特性，其無(wú)法進(jìn)行更好的反推，所以我們希望有著更好的模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行改良。

2安全隔振計(jì)算模型的建立

2.1安全殼結(jié)構(gòu)

某核電站安全殼內(nèi)殼為單層預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土殼，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。安全殼圓筒平面內(nèi)徑22m，壁厚1.2m，圓筒上接扁殼型穹頂半徑為32.66m，穹頂厚1m。根據(jù)布置設(shè)計(jì)，安全殼筏基底部標(biāo)高為-7.5m，穹頂標(biāo)高為58.5m，穹頂由兩段8m半徑的弧和一段32m半徑的弧組成，其內(nèi)部容積為9萬(wàn)m3。

2.2隔震計(jì)算模型

安全殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)共用鋼筋混凝土筏板式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板的厚度為5m，剛度較大，安全殼模型從基礎(chǔ)底板頂面之上建立，一般結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與地基連接為鉸支座，隔震支座豎向剛度為無(wú)窮大，水平剛度較小。隔震支座的力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為由水平方向的非線(xiàn)性彈簧和粘滯阻尼器、豎向的線(xiàn)性彈簧所組成。即水平方向用Combin40雙線(xiàn)性單元模擬，豎向剛度很大，采用Combin14單元模擬?；炷羻屋S抗壓強(qiáng)度取為50MPa，單軸抗拉強(qiáng)度取為4MPa，彈性模量取為3.50x104MPa。初步設(shè)計(jì)采用55束15.7mm，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa的預(yù)應(yīng)力筋。模型中采用SOLID65單元模擬安全殼筒體、穹頂、扶壁柱等混凝土部分。用LINK8單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼束。在地震之后，安全殼中的水體可能會(huì)有著較大的應(yīng)力，那么就可能直接影響到擋水壩，而且它本身還受到安全殼變形的影響，是一種流固耦合問(wèn)題。認(rèn)為地基在豎直方向是剛性的，可以直接采用水壓力來(lái)進(jìn)行分析，假設(shè)存在無(wú)窮遠(yuǎn)的上游方向，安全殼底部假定為水平面，且是剛性的。采用簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的模型來(lái)對(duì)于壓力進(jìn)行建模，這樣就可以有效的進(jìn)行質(zhì)量分析，不使用水體壓縮就可以有效的進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，同時(shí)采用有限元的分析技術(shù)，可以在假設(shè)流動(dòng)較小時(shí)，對(duì)其表面波進(jìn)行忽略，從而能夠簡(jiǎn)潔準(zhǔn)確的進(jìn)行安全殼的水作用分析。主要利用的是等效線(xiàn)彈性方式，其可以對(duì)于其非線(xiàn)性相關(guān)的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行描述，同時(shí)利用阻尼比來(lái)對(duì)其進(jìn)行等效，最終能夠得到應(yīng)力的變化關(guān)系，但是其缺點(diǎn)在于無(wú)法進(jìn)行具體的公式推導(dǎo)。該模型有以下不足之處：該模型加卸載模量相同，難以區(qū)分，與實(shí)際情況不符；但是其缺點(diǎn)主要是在于無(wú)法進(jìn)行永久變形量的計(jì)算，同時(shí)無(wú)法對(duì)于其應(yīng)力的特性進(jìn)行相關(guān)的分析，需要利用更為完善的模型來(lái)進(jìn)行判斷。但是，該模型由于概念清晰，使用簡(jiǎn)便，目前的應(yīng)用最為廣泛。面板壩模型振動(dòng)試驗(yàn)顯示，安全殼在振動(dòng)過(guò)程當(dāng)中存在著明顯的基本頻率，可以表明，從理論上來(lái)講該方法具有一定的合理性。

3計(jì)算結(jié)果分析

隔震核安全殼由于橡膠墊水平剛度很小，因此位移主要集中在隔震層。但隔震層位移值很小僅27mm，未超過(guò)橡膠墊位移最大值280mm。并且上部結(jié)構(gòu)基本處于整體平移狀態(tài)，位移較小，僅6mm。而一般結(jié)構(gòu)由于基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)固結(jié)，因此上部結(jié)構(gòu)變形較大?？梢钥闯?，隔震結(jié)構(gòu)變形主要集中在隔震層，上部位移僅是一般結(jié)構(gòu)的12%左右。應(yīng)用ANSYS分析得到隔震與一般結(jié)構(gòu)最大加速度值響應(yīng)，結(jié)構(gòu)最大加速度發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)處。隔震技術(shù)安全殼的加速度反應(yīng)明顯減小，是未隔震反應(yīng)的20%左右。對(duì)巖土的荷載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究可以發(fā)現(xiàn)，在地震發(fā)生之后動(dòng)力的變化特征主要有兩個(gè)，在于其有著滯后與非線(xiàn)性的特點(diǎn)，如果對(duì)其進(jìn)行循環(huán)的應(yīng)力提供，那么它將會(huì)成為一個(gè)滯回的曲線(xiàn)，來(lái)對(duì)于應(yīng)力進(jìn)行反映，通過(guò)施加不同大小應(yīng)力循環(huán)的周期剪應(yīng)力，獲得多個(gè)滯回國(guó)，將每個(gè)滯回國(guó)中的應(yīng)變最大值點(diǎn)連成曲線(xiàn)，得到土的應(yīng)力一應(yīng)變骨干曲線(xiàn)，它們兩者共同反映了巖土體的動(dòng)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系全過(guò)程。

針對(duì)于以上的情況，我們對(duì)于安全殼的抗震問(wèn)題有以下建議：

1）注重安全殼的質(zhì)量提升

我國(guó)采用了國(guó)家的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)于安全殼的施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了有效的定義，這樣才使得我國(guó)的安全殼質(zhì)量明顯提升，同時(shí)對(duì)于世界上的先進(jìn)管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了學(xué)習(xí)，這樣使得我國(guó)在管理方面取得了極大的進(jìn)步。安全殼管理是建筑整體項(xiàng)目的一個(gè)重要組成部分，在安全殼使用之前就要對(duì)整個(gè)安全殼中所需的成本進(jìn)行一定的分析，對(duì)所有的過(guò)程、對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)都要進(jìn)行考察，這樣就能使得安全殼的管理更加的科學(xué)與精確。

2）對(duì)抗震設(shè)施進(jìn)行可靠性管理

對(duì)可靠性的管理主要以下幾項(xiàng)詳細(xì)的工作，第一是應(yīng)該對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的分布與形式進(jìn)行考察，將其各個(gè)參數(shù)，尤其是細(xì)節(jié)方面時(shí)段進(jìn)行記錄與仿真。第二對(duì)土地使用情況進(jìn)行分析調(diào)查。第三是做好地基方面的檢查，將技術(shù)性的工作情況數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查分析，使得能夠得到在歷史地基發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)中的改變情況。第四是對(duì)抗震設(shè)施進(jìn)行分析，選取能夠滿(mǎn)足工作要求的材料，同時(shí)對(duì)其使用情況進(jìn)行考察。第五是對(duì)抗震部件進(jìn)行排查，將存在故障的部分進(jìn)行移除，對(duì)于其裂縫與變形情況，要及時(shí)的記錄。根據(jù)在火災(zāi)后抗震設(shè)施結(jié)構(gòu)的尺寸和實(shí)際受力情況確定其計(jì)算簡(jiǎn)圖，在承載力驗(yàn)算過(guò)程中，應(yīng)該將構(gòu)件當(dāng)中的磨損與缺陷等情況進(jìn)行合理有效的控制，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度折減，并且考慮到應(yīng)用中結(jié)構(gòu)變形、荷載偏心、熱脹冷縮作用等原因?qū)е碌母郊討?yīng)力。

3）加強(qiáng)對(duì)于安全殼的常規(guī)檢查

對(duì)于所使用材料應(yīng)該嚴(yán)格按照加固設(shè)計(jì)方案中標(biāo)注的加固部位和材料進(jìn)行施工。如果缺乏原始材料資料，則通過(guò)實(shí)際測(cè)量確定材料的選擇。針對(duì)于抗震能力進(jìn)行施工時(shí)對(duì)鋼筋、水泥、混凝土等的強(qiáng)度都有要求，在混凝土中絕不能摻入火山灰、粉煤灰等摻和料，無(wú)論是灌漿材料還是粘結(jié)材料，其粘結(jié)強(qiáng)度都應(yīng)該比建筑原有構(gòu)件和加固部分構(gòu)件的強(qiáng)度要高，這樣才能保證建筑的抗火災(zāi)能力。

4結(jié)論

這些年來(lái)，很多的高新技術(shù)進(jìn)行發(fā)展，計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等技術(shù)在工業(yè)中得到了廣泛的推廣，同時(shí)，在抗震技術(shù)的作用下，使得安全殼管理水平越來(lái)越高，其主要依靠傳感器、控制器等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的控制與操作，因此我們必須提升安全殼抗震的可靠度，使其更好地為我們而服務(wù)。

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