AP1000 常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)彈塑性地震響應(yīng)分析

邢國雷，薛 濤

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市100094)

0 引 言

在地震作用下電力系統(tǒng)應(yīng)保障其抗震安全，發(fā)揮生命線的功能、及時(shí)提供電力供應(yīng)、為抗震救災(zāi)提供支持。核電廠主廠房結(jié)構(gòu)作為一種特種結(jié)構(gòu)，其抗震設(shè)計(jì)的重要性毋庸質(zhì)疑，在2011年3月日本大地震中，福島核電站出現(xiàn)的泄漏事件給日本乃至全世界的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等各方面都帶來了巨大的沖擊，確保核電廠相關(guān)結(jié)構(gòu)在地震中的安全是核電廠主廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。文獻(xiàn)［1］中提出常規(guī)島結(jié)構(gòu)鄰近核島，因而常規(guī)島的抗震性能要考慮對(duì)核島的影響，對(duì)于可能危及抗震Ⅰ類建筑各項(xiàng)功能的非安全級(jí)構(gòu)筑物，必須確保其在極限安全地震震動(dòng)下不倒塌。因此，對(duì)核電廠主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的抗震研究及破壞評(píng)估具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

采用動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析方法［2-3］，能夠計(jì)算地震反應(yīng)全過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形形態(tài)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和塑性變形集中的部位，從而判別結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制、薄弱環(huán)節(jié)和可能破壞的類型，同時(shí)可以采用纖維模型方法計(jì)算的彎矩－曲率關(guān)系來描述結(jié)構(gòu)單元力與變形的變化關(guān)系［4-5］，因此被認(rèn)為是最可靠的結(jié)構(gòu)彈塑性分析方法。目前，對(duì)核電廠主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的抗震分析的研究并不多［6-7］。林生逸等［8-9］利用PERFORM－3D 非線性分析軟件對(duì)典型常規(guī)島主廠房整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，并參考基于性能的抗震規(guī)程FEMA356［10］制定構(gòu)件變形性能指標(biāo)，對(duì)構(gòu)件的變形響應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，最后針對(duì)主廠房的抗震性能給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。張琴等［11］針對(duì)核電廠常規(guī)島廠房這種特殊的工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)，提出了常規(guī)島廠房的抗震性能目標(biāo)、性能水準(zhǔn)以及實(shí)施抗震性能設(shè)計(jì)的方法，并用工程實(shí)例說明如何應(yīng)用這一理念，證明了核電常規(guī)島廠房采用基于性能抗震設(shè)計(jì)方法的可行性。宋遠(yuǎn)齊等［12-13］運(yùn)用基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)大型電廠框排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性地震反應(yīng)分析，研究該類結(jié)構(gòu)的整體抗震能力和破壞過程。結(jié)果表明，主廠房框排架結(jié)構(gòu)在7 度罕遇地震作用下能滿足變形要求，但結(jié)構(gòu)存在較多的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起高度重視。本文以某1 000 MW 機(jī)組核電廠主廠房鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其抗震性能進(jìn)行評(píng)估，為核電廠主廠房結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)分析模型

某1 000 MW 核電廠，主廠房橫向?yàn)殇摻罨炷量蚺偶芙Y(jié)構(gòu)，縱向?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)，共5 層(頂部為屋架層)。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件(鋼屋架、汽輪機(jī)部分鋼結(jié)構(gòu))與混凝土框架構(gòu)件連接處為鉸接，鋼屋架內(nèi)部斜撐為鉸接，其他都為剛接。本工程的設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，抗震等級(jí)為一級(jí)。

2 地震動(dòng)的選取

GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)需采用不少于2 組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1 組人工模擬加速度時(shí)程曲線［14］。基于上述要求，本工程選用了2 組天然地震動(dòng)記錄和1 組人工波進(jìn)行了時(shí)程分析，主、次方向地震波強(qiáng)度比按1∶ 0.85 確定，罕遇地震峰值加速度取310 cm/s2。圖1 分別給出了3 組地震波對(duì)應(yīng)的加速度譜(5%阻尼比)，頻譜分析表明所選地震波頻譜特性滿足要求，可以看出這3 組波反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜在關(guān)鍵周期點(diǎn)吻合得較好。

圖1 地震波頻譜特征Fig.1 Spectral characteristics of seismic wave

3 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性

核電廠主廠房結(jié)構(gòu)的振型質(zhì)量參與系數(shù)如表1所示，由表1 可知:

(1)第1 階振型為縱向平動(dòng)，存在一定程度的繞z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其縱向質(zhì)量參與系數(shù)為73%，該振型在頂層的x 向最大位移是層位移平均值的1.09 倍，該方向扭轉(zhuǎn)可以認(rèn)為還是較規(guī)則的。

(2)第2 階振型為橫向平動(dòng)，存在一定程度的繞z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其縱向質(zhì)量參與系數(shù)為64%，該振型在頂層y 向最大位移是層位移平均值的1.49 倍，按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，橫向存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。

(3)第3 階振型為繞z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析

在分析核電廠主廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的基礎(chǔ)上，采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)其進(jìn)行地震作用分析。由于核電廠主廠房結(jié)構(gòu)的x 方向尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于y 方向，y方向的地震力起控制作用，所以表2 僅給出了y 向反應(yīng)譜作用下的層位移和層間位移角的分布。由表2可知:主廠房結(jié)構(gòu)在反應(yīng)譜作用下，層位移的最大值為12.1 mm，滿足工程要求，層間位移角的最大值為1/617，出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂層，滿足規(guī)范規(guī)定的1/550 的限值要求。

表1 鋼筋混凝土主廠房的振型質(zhì)量參與系數(shù)Tab.1 Structural modal mass participation factor of reinforced concrete main workshop

表2 x 向反應(yīng)譜作用下各樓層層位移和層間位移角Tab.2 Each floor layer displacement and interlayer displacement angle under response spectrum in x direction

5 結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

采用大型通用有限元軟件ABAQUS 考察常規(guī)島主廠房結(jié)構(gòu)大震作用下的抗震性能［15-16］，研究各部件進(jìn)入彈塑性階段的順序、損傷程度和分布，在此基礎(chǔ)上提出對(duì)原結(jié)構(gòu)方案的意見和建議?？蚣芙Y(jié)構(gòu)彈塑性階段的抗震能力體現(xiàn)在變形承受能力上，包括:

(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形是否在其可承受范圍之內(nèi)，主要指框架構(gòu)件(梁、柱、支撐)截面的塑性變形。

(2)層間位移角(輸出各層對(duì)角角點(diǎn)的位移時(shí)程，然后計(jì)算層間位移角時(shí)程，取最大值。由于結(jié)構(gòu)可能存在偏心，不能取質(zhì)心處，需考察同層中x、y 方向各相對(duì)2 點(diǎn))是否在規(guī)范規(guī)定的范圍之內(nèi)。

5.1 ABAQUS 彈塑性模型簡(jiǎn)介

5.1.1 單元

(1)梁、柱桿件:采用纖維梁?jiǎn)卧?，梁柱鋼筋直接讀取根據(jù)性能目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的SATWE 設(shè)計(jì)配筋面積后布于截面。

(2)模型中未包括樓板單元，用2 種途徑考慮樓板單元的作用:①基于剛性樓板假定將同層節(jié)點(diǎn)水平自由度約束起來;②對(duì)于考慮剛度放大的中梁和邊梁增加梁翼緣，做成T 型梁。

(3)恒活荷載以質(zhì)量點(diǎn)的形式施加于梁節(jié)點(diǎn)上。

5.1.2 計(jì)算工況

在ABAQUS 的計(jì)算模型中輸入與規(guī)范譜標(biāo)定的1 組人工波和2 組天然波。每組輸入包括x、y 水平雙向地震記錄，地震波主方向考慮2 種情況，分別作用于結(jié)構(gòu)縱橫向，共6 種地震動(dòng)輸入工況。

由于樓層平面可能會(huì)存在扭轉(zhuǎn)，因而在計(jì)算層位移和層間位移角時(shí)在每樓層平面中選擇4個(gè)點(diǎn)提取位移時(shí)程，如圖2 所示。其中上、下部節(jié)點(diǎn)主要用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在x 方向的位移角和側(cè)移，左、右端節(jié)點(diǎn)用于計(jì)算y 向的位移角和側(cè)移。

圖2 位移參考點(diǎn)示意Fig.2 Displacement reference point

5.1.3 材料

(1)鋼筋:采用Clough 三線性模型(如圖3 所示)?？紤]包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過程中考慮了剛度退化，以此來模擬鋼筋與混凝土的聯(lián)結(jié)滑移效果。

圖3 鋼筋的clough 三線性模型Fig.3 Clough three linear model of reinforcement

(2)混凝土:采用混凝土單軸本構(gòu)模型與美國太平洋地震工程中心開發(fā)的 OPENSEES 中的concrete02 模型相同，其受壓骨架線如圖4 所示。

圖4 混凝土骨架曲線Fig.4 Concrete skeleton curve

5.2 ABAQUS 彈塑性分析結(jié)果

5.2.1 宏觀結(jié)果

圖5 給出的是天然波II(該波破壞力最強(qiáng))主方向作用于縱向的層間位移角和層位移曲線，從圖5 可以看出:(1)天然波II 作用下，結(jié)構(gòu)縱、橫向框架層間位移角的最大值分別為1/62 和1/113，均小于規(guī)范要求的1/50，滿足規(guī)范要求;結(jié)構(gòu)縱、橫向框架層位移的最大值分別為258，201 mm，滿足業(yè)主關(guān)于側(cè)移不大于300 mm 的要求。

(2)在縱向框架中，頂層為薄弱層，這一方面是由于頂層鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件之間是按鉸接計(jì)算的，另外一方面可能是由于第4 層沒有樓板的原因;橫向框排架的較大層間位移角出現(xiàn)在第4、5 層。

(3)按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］關(guān)于結(jié)構(gòu)整體性能目標(biāo)的說明:結(jié)構(gòu)縱向框架的最大層間位移角為1/92 ～1/52，其中頂層層間位移角較大，其抗震性能基本能夠達(dá)到性能目標(biāo)4 的要求，其他層可以很好地達(dá)到性能目標(biāo)4;橫向框架各層都能達(dá)到性能目標(biāo)3 的要求，延性較好。

圖5 結(jié)構(gòu)層間位移角和層位移曲線Fig.5 Curves of structural layer displacement angle and displacement

5.2.2 構(gòu)件損傷

本文采用如下方式定義構(gòu)件的損傷階段:

(1)當(dāng)構(gòu)件變形處于彈性設(shè)計(jì)和屈服位移之間時(shí)，為剛輕微損傷(如圖6 所示)，在地震結(jié)束后，可以馬上使用，用圓形表示。

(2)當(dāng)構(gòu)件變形處于屈服位移和近似極限荷載對(duì)應(yīng)位移之間時(shí)為中度損傷，在此階段構(gòu)件仍具有使用功能，結(jié)構(gòu)不會(huì)倒塌，人生命是安全的，用正方形表示。

(3)當(dāng)構(gòu)件變形處于彈性位移限值和彈塑性極限位移的50%和90%的極限位移之間時(shí)，構(gòu)件為較嚴(yán)重?fù)p傷，要防止結(jié)構(gòu)倒塌，用三角形表示。

(4)當(dāng)構(gòu)件變形大于90%極限變形時(shí)，構(gòu)件嚴(yán)重破壞，用五角形表示。

圖6 給出的是天然波II 作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞情況，縱向按D-F 列、橫向按1 －2、4 軸取出各典型框架，圖中標(biāo)出了框架所在的位置、標(biāo)高以及不同標(biāo)記所代表的意義。

從圖6 可看出:

(1)構(gòu)件損傷程度不高，沒有構(gòu)件損傷達(dá)到較嚴(yán)重破壞階段，結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部滿足極限承載力要求。

(2)縱向框架的損傷程度比橫向框架嚴(yán)重，破壞主要集中于E、F 列，其原因可能是E、F 列在第4 層無樓板且柱截面也有所減小，結(jié)構(gòu)整體水平剛度弱于下部。

(3)底層框架柱中，有一部分柱較長，此部分柱完全沒有損傷，其原因可能是由于同層較短的柱側(cè)移剛度大于較長柱，損傷集中于前者。這表明為發(fā)揮同層柱的抗側(cè)功能，宜在變長度柱位置增大截面或設(shè)置地梁。

6 結(jié) 論

(1)由于常規(guī)島主廠房?jī)?nèi)部多錯(cuò)層，結(jié)構(gòu)局部樓層在地震作用下層間位移角有所突變，形成薄弱層，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視。針對(duì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的薄弱層，建議采用以下2 種方法予以加強(qiáng):

①增加上部柱的截面，使其與下部一致。

②通過增加配筋率或設(shè)置鋼骨來提高上部柱的耗能能力。

(2)構(gòu)件損傷較嚴(yán)重的部位主要集中在底層、第4 層柱底位置和第5 層柱頂位置，但損傷程度最大為中度損傷，均未超過構(gòu)件的最大承載力;在7 度罕遇地震作用下，核電廠主廠房結(jié)構(gòu)的整體抗震性能和各類構(gòu)件的抗震性能均滿足設(shè)計(jì)要求，能夠滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。

圖6 典型框架的損傷情況Fig.6 Damage of typical framework

(3)本文中核電廠主廠房結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置剪力墻或柱間支撐，為工藝設(shè)備和管道的布置提供了更大的空間。但主廠房結(jié)構(gòu)為不規(guī)則框排架結(jié)構(gòu)，橫向框架的抗震性能明顯優(yōu)于縱向框架，考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)此類結(jié)構(gòu)抗震性能的影響還有待進(jìn)一步研究。

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