不同地基条件下核岛结构动力响应特征研究

倪 恒，刘翔宇，刘飞成(.国核电力规划设计研究院，北京 00094； .西南交通大学土木工程学院，四川成都 6003)

不同地基条件下核岛结构动力响应特征研究

倪 恒1，刘翔宇1，刘飞成2
(1.国核电力规划设计研究院，北京 100094； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

建立不同地基条件下AP1000核岛结构的分析模型，对计算模型作用3种人工地震波，并对各个质点的加速度数据进行监测和分析。研究结果表明：软土和硬岩地基条件下，核岛结构从下到上，水平向PGA放大系数先减小后增大，而竖向PGA放大系数几乎保持不变。对于AP1000核岛结构的水平向PGA放大系数表现为软土场地>硬岩场地，而垂直向PGA放大系数表现为软土场地<硬岩场地；软土场地和硬岩场地条件下核岛结构的加速度反应谱均表现出单峰特征，水平向软土场地的反应谱峰值大于硬岩场地，垂直向软土场地的反应谱峰值小于硬岩场地。本文的研究成果对认识AP1000核岛结构的地震响应具有一定的指导意义。

AP1000；核岛结构；PGA放大系数；反应谱

20世纪60年代世界范围内核电得到了蓬勃的发展，但在经过两次核电事故后，核电发展放缓，部分国家甚至终止了本国核电的发展[1]。在国际原子能机构的推动下，核电技术不断得到发展和完善，90年代开发的第三代(Gen Ⅲ)核电技术，在安全性和经济性上得到了极大改进[2]。AP1000是美国西屋公司在非能动先进压水堆AP600的基础上开发的二回路压水反应堆，是第三代核电堆型[3]。2015年是中国的核电重启之年，以华龙一号、AP1000、CAP1000为代表的第三代核电技术将引领我国未来一段时间内的核电发展方向。自AP1000引入我国以来，已经有较多的学者对其进行了针对性的研究。臧明昌[4]对AP1000的发展历程进行了梳理；黄来等人[5]对AP1000的核岛技术进行了探究；王永峰等人[6]对其关键设备的制造及国有化进行了分析；刘立欣等人[7]对其典型的运行瞬态进行了研究；孙文涛等人[8]建立了用于AP1000的电力系统稳定分析动态模型。近些年，部分学者又将目光投向了AP1000核电站的抗震安全。刑国雷等人[9]对其常规岛主厂房结构弹塑性地震响应进行了分析；高梦梦等人[10]考虑FSI对其屏蔽结构的地震易损性进行了研究；李忠诚等人[11]对其进行了抗震分析。上述研究虽然对AP1000的抗震性能进行了探索，但是还很不够。本文针对AP1000的核岛结构建立两种不同地基条件下的分析模型，对地震作用下其加速度响应特征和反应谱特征进行探究，以期对AP1000的抗震设计和地震风险评估提供参考。

1 计算模型

AP1000核电厂包含5个主要厂房结构，包括核岛结构、汽轮机厂房、辅助厂房、柴油机厂房和放废厂房。本文研究对象为AP1000的核岛结构模型。AP1000核岛结构包括安全壳厂房、屏蔽厂房和辅助厂房，这些结构坐落在同一基础。计算中将AP1000简化为多质点简化体系，其中模型的主要质量点选择在结构的主要楼层或者结构不连续位置。考虑结构的刚度中心和质量中心位置不同引起的偏心，该偏心使用水平向梁连接质量点与竖直向结构梁进行模拟。每个厂房的集中质量点与其他结构的梁单元相互连接构成整个核岛结构的动力模型，该模型包括屏蔽厂房、辅助厂房、钢安全壳、吊车梁、内部结构、反应堆冷却循环系统(包括两个蒸汽发生器和一个稳压器)；反应堆冷却循环系统耦合在内部结构上；吊车梁耦合在钢安全壳上；其他质量小于相应支撑核岛结构质量1 %的子系统和设备作为集中质量点耦合于简化模型中。

相关研究表明，对于核岛结构而言，临近建筑结构物的存在对核岛地震响应的影响很小，基于此，在进行AP1000地震响应分析时，不考虑临近建筑结构的影响。故本次分析在考虑土-结构相互作用，主要针对安全壳厂房(钢安全壳和安全壳内部结构)进行地震响应分析。一般来说钢质安全壳厂房是一个独立的、圆筒状、上下两端都有椭圆顶的轴对称钢壳结构(图1)，基于轴对称壳模型，可以利用简化质点结构进行简化模拟。为了验证简化多质点模型的合理性，分别将简化多质点模型和壳单元模型的动力特性列于表1。

表1 不同模型中的安全壳厂房的自振频率比较

通过表1可以看出，简化多质点模型与壳单元改进模型的第1模态和第2模态的竖直方向和水平方向的自振频率比较接近，说明简化多质点模型可以很好的模拟结构的动力特性，即能很好的模拟结构在地震作用下的动力响应。本次分析重点是关注安全壳厂房内部密封圆筒罐的动力响应，故根据AP1000的相关设计文件可以得到，安全壳厂房内部的密封钢圆筒罐高度为65.633 m，密封圆筒罐中的回转吊车以及吊车梁的高程在140.691 m，在此基础上，根据实际密封圆筒罐中的结构分布，利用多质点与杆件体系对其进行简化，简化后的示意图如图2所示。

图1 AP1000示意

图2 简化多质点体系示意

通过图2可以看出，简化多质点体系共有20个质点，各个质点的编号如图2所示。下面将20个质点的有效质量以及自振频率列于表2。

根据相关设计文件，当地表土层的剪切波速为304.8 m/s时，在进行地震分析时须考虑土与结构相互作用。且AP1000所在的土层有如下要求：对于软土场地，地表层的剪切波速最小为304.8 m/s，且随着深度增加线性增大，直至地表以下73.152 m(达到2 438 m/s)，而基础深度为36.576 m，同时将基础简化为用3个质点代替，将3个质点的高度分别设在基础1/6、3/6以及5/6高度处(即地表以下6.1 m、18.3 m、30.5 m)，输入的地震波从基础质点输入，输入的地震波峰值为0.3g。

表2 简化多质点体系的质点性质

对于软土地基，计算采用的3个基础质点处土体参数分别为：(1)弹性模量E为0.91 GPa，泊松比为0.25，密度为2.3 g/cm3，土体剪切波速为393.82 m/s；(2)弹性模量E为1.92 GPa，泊松比为0.25，密度为2.3 g/cm3，土体剪切波速为572.04 m/s；(3)弹性模量E为3.3 GPa，泊松比为0.25，密度为2.3 g/cm3，土体剪切波速为749.96 m/s。在基础质点上设置边界弹簧，模拟周围土体的约束作用，阻尼采用瑞利阻尼。计算得到各个弹簧的刚度和阻尼如表3所示。

表3 软土地基弹簧的刚度和阻尼

对于硬岩场地，计算采用的基础质点处土体参数为：弹性模量E为33.5 GPa，泊松比为0.25，密度为2.3 g/cm3，土体剪切波速为2 343.07 m/s。计算得到弹簧的刚度和阻尼如表4所示。

表4 硬岩场地弹簧的刚度和阻尼

2 计算结果分析

2.1 PGA放大系数分析

本文关注的是地震波作用下AP1000核岛结构的动力响应。吊车横梁作为附属结构，本文不作分析，因此本文只分析1～14号质点的地震响应。3种人工波作用下软土地基和硬岩地基上1～14号质点的PGA放大系数如图3、图4所示。PGA放大系数指各个质点实测地震波时程峰值与输入地震波峰值之比。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向图3 软土地基AP1000核岛结构PGA放大系数

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向图4 硬岩地基AP1000核岛结构PGA放大系数

图3、图4表明，3种地震波作用下，软土地基和硬岩地基上AP1000核岛结构体现出类似的响应。水平方向(x向和y向)PGA放大系数最大值出现在第14号质点处，即结构物的顶端，PGA放大系数最小值出现在11号质点处。x方向可以近似认为6号质点以上PGA放大系数大于1，6号质点以下PGA放大系数小于1；而y方向则近似表现为7号质点以上PGA放大系数大于1，7号质点以下PGA放大系数小于1；在垂直z方向，1～14号质点的PGA放大系数几乎不随高程而发生变化。

比较软土场地和硬岩场地上AP1000核岛结构的加速度响应可以看出，软土场地和硬岩场地上AP1000核岛结构的水平向和竖向PGA放大系数随高程变化规律一致，具体表现为：从下到上，水平向PGA放大系数先减小随后增大，尤其在吊车横梁以上水平向PGA放大系数明显增大，而竖向PGA放大系数几乎保持不变。对于AP1000核岛结构的水平向PGA放大系数表现为软土场地>硬岩场地，而垂直向PGA放大系数表现为软土场地<硬岩场地。

2.2 反应谱分析

3种不同地震波作用下14号质点(结构顶部)的反应谱如图5、图6所示。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向图5 3种地震波作用下软土场地加速度反应谱

对于软土场地，通过3种地震波作用下结构顶部质点的三向加速度反应谱图可以看出，x向和y向加速度反应谱都表现出明显的单峰特性，其中x向特征周期为1.74 s，y向特征周期为1.48 s。对于z向加速度反应谱，RG1.60人工波和AP1000规定地震设计反应谱人工波作用下的竖向加速度反应谱较吻合，总体上均小于核电厂抗震设计规范人工波作用下的竖向加速度反应谱值。

对于硬岩场地，通过3种地震波作用下结构顶部质点的三向加速度反应谱图可以看出，3种地震波作用下x向、y向加速度反应谱表现出单峰特性，x向特征周期约为2.20 s，y向特征周期约为1.55 s。对于z向加速度反应谱，当周期小于特征周期时，反应谱值表现为核电厂抗震设计规范人工波>AP1000规定地震设计反应谱人工波>RG1.60人工波，当周期大于特征周期时，3种地震波作用下反应谱幅值较接近。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向图6 3种地震波作用下硬岩场地加速度反应谱

对比软土场地和硬岩场地AP1000核岛结构体系顶部质点的反应谱峰值可以发现，水平方向软土场地的反应谱峰值大于硬岩场地，垂直方向软土场地的反应谱峰值小于硬岩场地。

3 结论

通过本文的研究，可以得到以下一些结论。

(1)AP1000核岛结构自下而上水平向PGA放大系数先减小后增大，结构顶部放大系数最大，垂直向PGA放大系数几乎不随高程发生变化。

(2)地基条件对AP1000核岛结构的PGA放大系数具有较大的影响，水平向表现为软土场地>硬岩场地，垂直向表现为软土场地<硬岩场地。

(3)水平x向和y向的加速度反应谱表现为单峰特征，水平方向软土场地的反应谱峰值大于硬岩场地，垂直方向软土场地的反应谱峰值小于硬岩场地。

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倪恒(1977～)，男，高级工程师，硕士，主要从事电力行业岩土工程方面的研究。

311.3

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[定稿日期]2016-08-30