考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)和隔震的核電結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)研究*

周志光 陳 浩 趙錦一

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

核電是一種技術(shù)成熟的能源，與火電、水電構(gòu)成世界能源的三大支柱，具有高效、清潔、低成本等特點(diǎn)[1]。發(fā)展核電是解決當(dāng)前及未來能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效途徑之一。日本311大地震引發(fā)的核電泄漏事故引起世界對核電安全的關(guān)注。隔震技術(shù)是最為常見有效的減輕地震作用手段之一，不僅廣泛應(yīng)用于各類建筑，而且在核電重要基礎(chǔ)設(shè)施中得以應(yīng)用[2]。隔震的基本原理是在基礎(chǔ)上放置柔性的隔震支座使結(jié)構(gòu)的基本周期延長，從而減弱地震動對結(jié)構(gòu)的影響。核電結(jié)構(gòu)采用隔震技術(shù)除改善抗震性能外，最重要的是使核電抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化[3-4]。

土-結(jié)構(gòu)動力相互作用(簡稱SSI)效應(yīng)主要表現(xiàn)為三點(diǎn)：地面運(yùn)動特性改變、結(jié)構(gòu)動力特征改變及結(jié)構(gòu)響應(yīng)改變[5]?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)大多采用剛性地基假定，考慮到核電結(jié)構(gòu)的特殊性(質(zhì)量大、剛度大、安全性要求高等)，仍采用剛性地基假定的抗震設(shè)計(jì)可能影響到核電的安全性。李小軍等對非基巖場地的CAP1400核電結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，結(jié)果表明：核電結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)受場地條件的影響明顯，在分析中應(yīng)考慮SSI效應(yīng)[6]。因此，考慮SSI效應(yīng)和隔震的核電結(jié)構(gòu)研究是核電抗震設(shè)計(jì)與安全分析中的重要課題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了一些有關(guān)SSI效應(yīng)對隔震結(jié)構(gòu)影響的研究。Constantinou等對采用基底隔震的單自由度結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以體系基頻的變化程度作為判別SSI效應(yīng)對體系的影響標(biāo)志[7]。李忠獻(xiàn)等對比了剛性地基與土性地基下橡膠隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)考慮SSI后，隔震結(jié)構(gòu)與未隔震結(jié)構(gòu)的層間位移和剪力變化規(guī)律較為復(fù)雜，不能簡單地認(rèn)為傳統(tǒng)抗震計(jì)算方法中不考慮SSI是偏于安全的[8]。鄒立華等分析了樁-土相互作用對隔震結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為在一般隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以不考慮SSI效應(yīng)的影響[9]。李延濤系統(tǒng)研究了考慮SSI效應(yīng)的基礎(chǔ)隔震與結(jié)構(gòu)控制，其研究表明，軟土地基上進(jìn)行基礎(chǔ)隔震與結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)，必須考慮SSI對基礎(chǔ)隔震與結(jié)構(gòu)控制的影響[10]。李海嶺、王阿萍等采用子結(jié)構(gòu)法分析SSI對線性基礎(chǔ)隔震體系基頻和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，指出基于剛性地基假定的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不總偏于安全[11-12]。

本文選取第三代核反應(yīng)堆AP1000安全殼結(jié)構(gòu)作為研究對象進(jìn)行振動臺試驗(yàn)，從隔震與非隔震、土性地基與剛性地基等方面對核電結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型設(shè)計(jì)及制作

本文選取AP1000安全殼原型結(jié)構(gòu)為研究對象。振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀缮喜拷Y(jié)構(gòu)、隔震層以及地基土組成，見圖1。上部結(jié)構(gòu)按照1/40的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型采用有機(jī)玻璃制作，并在原型結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大的樓層高度處采用鋼板配重，使模型更接近于真實(shí)結(jié)構(gòu)，其中上部結(jié)構(gòu)共配重3.4 kN。為滿足隔震層的頻率相似關(guān)系，且不影響上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在模型底部配重15.24 kN鋼板(圖2)。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦B接示意Fig.1 Schematic diagram of test model

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团渲?mmFig.2 Counterweight diagram of test model

隔震層設(shè)置在基底和上部結(jié)構(gòu)之間，由4個鉛芯橡膠隔震支座組成。原型場地土參數(shù)選自文獻(xiàn)[13]中第三類核電場地，其頻率為2.39 Hz。模型土采用上海粉質(zhì)黏土，土層總厚度1.18 m，土的實(shí)測密度為1 890 kg/m3，實(shí)測剪切波速為88.4 m/s。

1.2 相似比設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)動力試驗(yàn)可分為足尺模型試驗(yàn)和縮尺模型試驗(yàn)。核電結(jié)構(gòu)一般體積較大、成本極高，且受限于振動臺尺寸，本次試驗(yàn)采用縮尺模型試驗(yàn)進(jìn)行探究。在土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的振動臺模型試驗(yàn)中將涉及到兩種以上材料，很難完全滿足試驗(yàn)參數(shù)與原型參數(shù)的相似關(guān)系。一方面需要考慮振動臺性能與試驗(yàn)條件，另一方面需要最大程度地模擬土-隔震層-上部結(jié)構(gòu)的動力相互作用特性。根據(jù)Bockingham π原理，參考周穎等提出的振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷刃гO(shè)計(jì)方法[14]，取長度相似常數(shù)Sl=1/40，選擇頻率相似比Sf為主要控制參數(shù)，使模型結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)、隔震層、土三者的頻率與原型結(jié)構(gòu)的頻率比等于頻率相似常數(shù)，取Sf=3.3。原型結(jié)構(gòu)與模型結(jié)構(gòu)的各組成部分頻率見表2。

表1 原型與模型概況Table 1 Overview of the model and the prototype

表2 模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)頻率Table 2 Frequency of the model and the prototype Hz

1.3 土邊界模擬

在實(shí)際SSI分析中，地基在理論上是沒有邊界的，但在振動臺試驗(yàn)中，采用有限尺寸容器裝載模型土。由于邊界處的地震波反射及體系振動形態(tài)的變化將產(chǎn)生一定誤差，即“模型箱效應(yīng)”。目前在振動臺試驗(yàn)研究土-結(jié)構(gòu)相互作用中，常采用柔性土箱和層狀剪切型土箱消除或盡可能地減小邊界效應(yīng)[15-16]。

本試驗(yàn)采用柔性土箱以減小“模型箱效應(yīng)”，如圖3所示。該土箱為直徑3 000 mm的圓筒，側(cè)壁采用厚5 mm的橡膠膜。外側(cè)用鋼筋作圓周式加固，提供徑向剛度且允許土體作層狀水平剪切變形。內(nèi)側(cè)制作花紋，在底鋼板上用環(huán)氧樹脂粘上碎石，形成粗糙表面，減少土與容器界面的相對滑移。在試驗(yàn)過程中，可以看到明顯的剪切變形。

圖3 柔性土箱Fig.3 Flexible soil box

1.4 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用加速度傳感器、力傳感器、土壓力計(jì)等測量上部結(jié)構(gòu)、隔震層、基礎(chǔ)和地基土的動力響應(yīng)，試驗(yàn)測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 測點(diǎn)布置 mmFig.4 Arrangement of measuring points

1.5 輸入地震波與試驗(yàn)加載方案

為探討不同地震波輸入時SSI效應(yīng)對核電隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，試驗(yàn)選擇了3條具有代表性的地震波作為振動臺輸入，分別為El Centro波、Kobe波及人工波RG1.60，采用三向激振。圖5為輸入地震波的反應(yīng)譜。試驗(yàn)加載方案及振動臺面輸入峰值加速度aPGA見表3。

a—X向；b—Y向；c—Z向。圖5 輸入地震波加速度反應(yīng)譜(aPGA=0.30g)Fig.5 Acceleration response spectra of input waves (aPGA=0.30g)

表3 試驗(yàn)加載方案Table 3 Test loading program

1.6 試驗(yàn)組

為對比核電模型結(jié)構(gòu)在不同地基、不同隔震情況下的地震響應(yīng)，本試驗(yàn)設(shè)置土性地基與剛性地基對照組及隔震與未隔震對照組，試驗(yàn)組及內(nèi)容見表4。

表4 試驗(yàn)組Table 4 Test groups

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模型結(jié)構(gòu)動力特性

采用0.07g白噪聲對各試驗(yàn)組模型進(jìn)行掃頻，評估體系的自振頻率，結(jié)果見表5。安全殼模型結(jié)構(gòu)的水平向自振頻率為11.02 Hz(Y向)和11.14 Hz(X向)，與設(shè)計(jì)模型結(jié)構(gòu)頻率10.80 Hz接近。

表5 各試驗(yàn)組模型自振頻率Table 5 The natural frequency of the system in each test group Hz

分析表5可得如下規(guī)律：

1)不同地基上模型結(jié)構(gòu)采用基底隔震后，水平自振頻率均降低，且剛性地基更為顯著；豎向自振頻率均提高，且剛性地基更為顯著。

2)對于隔震模型結(jié)構(gòu)，考慮SSI幾乎不對水平自振頻率產(chǎn)生影響，但會降低豎向自振頻率；對于非隔震模型結(jié)構(gòu)，考慮SSI則會降低水平自振頻率，對豎向頻率影響較小。

由于土體是一種典型的非線性材料，隨著輸入地震動峰值的增加，土體‘軟化’，土性地基上模型結(jié)構(gòu)的自振頻率會發(fā)生一定變化。SL試驗(yàn)組模型的水平自振頻率主要由隔震層控制，變化幅度較小。SN試驗(yàn)組模型的水平自振頻率由土體和上部結(jié)構(gòu)共同控制，變化幅度相對較大。

2.2 自由場分析

自由場分析是土-結(jié)構(gòu)動力相互作用研究中的重要組成部分。一方面，可以分析土層的非線性特征和場地土層對輸入地震動譜特征的影響程度；另一方面，可以通過反演分析獲取基巖處的地震動作為模型結(jié)構(gòu)的輸入。

試驗(yàn)中加速度傳感器布置在距離土表面0，0.38，0.98，1.18 m處。圖6為土層各測點(diǎn)處的傅里葉譜，表6為土表面相對于輸入地震波加速度的放大系數(shù)?？梢钥吹剑S著離土表面的距離越近，加速度峰值越大，傅里葉譜幅值向低頻移動，高頻成分減少，說明試驗(yàn)中的軟土地基具有濾波和放大作用，且放大作用隨著輸入地震動峰值的增大而減小。

a—-1.18 m；b—-0.98 m；c—-0.38 m；d—0 m。圖6 土層各測點(diǎn)傅里葉幅值譜Fig.6 Fourier amplitude spectrum at each measuring point

表6 自由場下加速度峰值放大系數(shù)Table 6 Amplification factor under free field condition

采用SVSA系統(tǒng)對自由場進(jìn)行地基土頻率的識別，根據(jù)識別結(jié)果確定土的頻率為8 Hz，與設(shè)計(jì)值7.89 Hz接近。

2.3 隔震有效性分析

隔震效果表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)相對于輸入地震動減小程度。此處定義加速度放大系數(shù)為上部結(jié)構(gòu)的加速度峰值與輸入地震動的加速度峰值之比，通過對比隔震組與未隔震組加速度放大系數(shù)說明隔震效果。由于鉛芯橡膠支座只對水平向提供隔震能力，故圖7和圖8只給出了X向的RL與RN、SL與SN加速度放大系數(shù)對比?？梢钥闯?，無論是土性地基還是剛性地基，鉛芯橡膠支座均表現(xiàn)出很好的隔震效果。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖7 RL與RN加速度放大系數(shù)對比(X向)Fig.7 Comparison of acceleration amplification factor between RL and RN (X-direction)

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖8 SL與SN加速度放大系數(shù)對比(X向)Fig.8 Comparison of acceleration amplification factor between SL and SN (X-direction)

隔震組與非隔震組(如RL與RN)圍成的面積可以體現(xiàn)隔震支座對結(jié)構(gòu)整體的隔震效果。顯然，土性地基下隔震圍成的面積更小，即SSI效應(yīng)削弱了隔震支座的隔震能力。

2.4 試驗(yàn)組SL模型結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

為了擴(kuò)大核電的選址范圍及應(yīng)用隔震支座于核電結(jié)構(gòu)中，了解土性地基下的核電隔震模型結(jié)構(gòu)(即SL試驗(yàn)組)的響應(yīng)規(guī)律極為重要。圖9為各地震波輸入下安全殼模型的加速度放大系數(shù)?？芍?，水平向加速度響應(yīng)隨樓層的升高先減小再增大。其主要原因：一是基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動效應(yīng)顯著，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生搖擺；二是鉛芯橡膠隔震支座產(chǎn)生變形，使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生搖擺。豎向加速度則隨樓層的升高逐漸減小。對于同一地震波，隨著輸入峰值的增大，各樓層處加速度響應(yīng)雖逐漸增大，但其放大系數(shù)卻是逐漸減小。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖9 試驗(yàn)組SL各樓層加速度放大系數(shù)Fig.9 Acceleration amplification factor at each floor of SL

核電結(jié)構(gòu)是一種特殊的結(jié)構(gòu)形式，需要提供樓層反應(yīng)譜用于設(shè)備振動分析。本文對樓層高2.15，1.01，0.34 m處進(jìn)行樓層反應(yīng)譜分析，結(jié)果見圖10。結(jié)果表明：

1)對于水平方向，各樓層反應(yīng)譜總是在2 Hz(隔震層頻率)和8 Hz(地基土頻率)時出現(xiàn)峰值，頂部的樓層反應(yīng)譜遠(yuǎn)大于其他樓層反應(yīng)譜。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe?！斎耄?---0.34 m；—·—·1.01 m；---2.15 m。圖10 試驗(yàn)組SL樓層反應(yīng)譜Fig.10 Floor response spectrum of SL

2)對于豎直方向，各樓層反應(yīng)譜在13 Hz(SL試驗(yàn)組模型豎向頻率)附近出現(xiàn)峰值，且隨樓層的升高，反應(yīng)譜值逐漸減小。

因此，在土性地基上進(jìn)行核電隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮上部結(jié)構(gòu)搖擺效應(yīng)造成的影響。設(shè)備位置的選擇應(yīng)避免樓層反應(yīng)譜最大的位置。同時設(shè)備運(yùn)行頻率應(yīng)盡量避開隔震層頻率、地基土頻率以及結(jié)構(gòu)體系豎向頻率。

2.5 SSI效應(yīng)對非隔震結(jié)構(gòu)的影響分析

從表6知，實(shí)際輸入峰值與設(shè)計(jì)輸入峰值不可能完全一致，為消除此誤差產(chǎn)生的影響，采用反應(yīng)譜放大系數(shù)對試驗(yàn)組SN和RN進(jìn)行對比分析，討論SSI效應(yīng)對核電非隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

定義反應(yīng)譜放大系數(shù)(簡稱PSA放大系數(shù))為樓層反應(yīng)譜與輸入地震波反應(yīng)譜對應(yīng)頻率處譜值之比。圖11為試驗(yàn)組SN和RN模型頂部PSA放大系數(shù)對比?？芍簩τ谒较?，土性地基下PSA放大譜的峰值出現(xiàn)在4～5 Hz附近，與SN試驗(yàn)組模型基本頻率(5.55 Hz)接近且偏小，主要原因是較大的地震波輸入使土體軟化，較白噪聲掃頻結(jié)果偏低。剛性地基下峰值出現(xiàn)在11 Hz，與RN試驗(yàn)組模型基本頻率一致。即SSI效應(yīng)使得非隔震模型加速度的高頻成分降低，峰值頻率從高頻向低頻移動。土體降低了核電非隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)，使其豎直向表現(xiàn)出與水平向類似的趨勢。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖11 SN與RN試驗(yàn)組模型頂部PSA放大系數(shù)對比Fig.11 Comparison of amplification factor of PSA at the top of the model between SN and RN

2.6 SSI效應(yīng)對隔震結(jié)構(gòu)的影響分析

試驗(yàn)組SL和RL的反應(yīng)譜放大系數(shù)對比結(jié)果如圖12所示?？煽闯觯簩τ谒较?，SL試驗(yàn)組的PSA放大系數(shù)在2.5～8 Hz頻段內(nèi)比RL試驗(yàn)組的大；對于豎向，峰值頻率從19 Hz改變到11 Hz，這與表5分析結(jié)果基本一致。2.5～8 Hz頻段中兩端數(shù)值恰好接近隔震層頻率與地基土頻率。即在此特征頻率區(qū)間內(nèi)，SSI效應(yīng)放大了核電隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)。因此核電隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時需要考慮SSI效應(yīng)。

a—RG1.60；b—El Centro；c—Kobe。圖12 SL與RL試驗(yàn)組模型頂部PSA放大系數(shù)對比Fig.12 Comparison of amplification factor of PSA at the top of the model between SL and RL

3 結(jié)束語

本文通過核電結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn)，探討了SSI效應(yīng)對核電結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，主要結(jié)論如下：

1)對于隔震結(jié)構(gòu)，考慮SSI幾乎不對體系水平自振頻率產(chǎn)生影響，但會降低豎向自振頻率；對于非隔震結(jié)構(gòu)，考慮SSI則會降低水平自振頻率，對豎向頻率影響較小。

2)在土性地基上進(jìn)行核電隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮上部結(jié)構(gòu)搖擺效應(yīng)造成的影響。設(shè)備位置的選擇應(yīng)避免樓層反應(yīng)譜最大的位置，設(shè)備運(yùn)行頻率應(yīng)盡量避開隔震層頻率、地基土頻率以及體系豎向頻率。

3)對于非隔震結(jié)構(gòu)，SSI效應(yīng)會降低加速度反應(yīng)譜高頻成分，使峰值出現(xiàn)頻率從高頻向低頻移動。土體表現(xiàn)出一定的隔震效果降低了某些頻率處的加速度譜響應(yīng)。

4)對于隔震結(jié)構(gòu)，SSI效應(yīng)會削弱隔震效果，而且會在某些頻段處放大加速度響應(yīng)。因此，在核電隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，土-結(jié)構(gòu)動力相互作用分析和隔震支座的選擇至關(guān)重要。