不同地基模型的抗震I類核電廠房結構計算研究

[摘要]抗震I類核電廠房結構計算需考慮的荷載效應組合多，廠房地基巖土的平均剪切波速不大于2400m/s時，上部結構抗震計算應考慮地基與結構的相互作用。本文對同一抗震I類廠房采用三種不同的底部約束邊界條件地基模型進行廠房結構整體計算，對各種地基模型的上部結構整體計算結果進行了對比分析研究。

[關鍵詞]核電廠；抗震I類；底部約束

抗震I類核電廠房結構計算時考慮的荷載類型比一般民用和工業建筑要多，如需考慮極端環境下地震作用、龍卷風荷載、沖擊波荷載等：需考慮大量的荷載效應組合，一般要考慮數百種荷載效應組合。根據《核電廠抗震設計規范》（GB50267-20XX、報批稿）可知，當結構地基巖土的平均剪切波速不大于2400m/s時，上部結構抗震計算應考慮地基與結構的相互作用。

本文對某核電廠抗震I類BOP廠房采用ANSYS軟件進行建模，考慮結構底部固結、底部施加三向平動彈性約束和底部施加三向平動+水平雙向擺動彈性約束三種不同的底部約束邊界條件，利用ANSYS軟件和內力及配筋批量后處理程序進行該廠房的結構整體計算，給出各種地基模型的上部結構計算結果并進行對比分析，以期對今后實際工程中抗震I類核電廠房結構設計有所借鑒。

1、工程概況及計算模型

1.1工程概況

本文對某核電廠抗震I類BOP廠房，采用極限安全地震動（SSE）進行抗震設計。結構設計主要遵循的規范為《核電廠抗震設計規范》（GB50267-20XX）和《壓水堆核電廠核安全有關的混凝土結構設計要求》（NB/T 20012-2010），運行安全地震（SL-1地震）震動峰值加速度為0.10g，極限安全地震（SL-2地震）震動峰值加速度為0.20g。本廠房采用鋼筋混凝土剪力墻結構，建筑物設計使用年限50年。廠房基底為微風化二長淺粒巖，剪切波速平均值為2328m/s。

1.2計算模型

采用ANSYS軟件建立廠房三維有限元模型，本文對結構底部固結（以下簡稱模型一）、底部施加X、Y、Z三向平動彈性約束（以下簡稱模型二）和底部施加X、Y、Z三向平動+X、Y兩向擺動彈性約束（以下簡稱模型三）三種不同的底部約束邊界條件地基模型進行結構整體計算。模型二及模型三彈簧剛度根據地勘報告和《核電廠抗震設計規范》（GB 50267-20XX）計算得到。

2、橫態計算結果對比分析

對三種地基模型對應的廠房整體進行模態分析，由模態分析結果可知模型三前九階振型為底部地基彈簧的局部振動，其振型有效質量均很小。模型三考慮了場地土的擺動剛度，扣除前九階振型后，模型三與模型一、模型二的主振型方向順序、主振型對應的頻率及有效質量都比較接近。模型一由于底板固結，其主振型對應的頻率及有效質量與其他模型存在一定的差異，但主振型方向的順序是一致的。本文采用的三種地基模型對應的廠房結構模態分析計算結果接近，均能較好反映上部結構的動力特性。

3、變形、內力及配筋計算結果對比分析

3.1變形及內力計算結果對比分析

廠房整體在各恒荷載、風荷載及SL-1地震作用下的最大變形及最大等效應力詳見表1。

從表1的計算結果和各荷載工況下廠房整體變形和等效應力云圖可知三個地基模型下廠房整體在恒載、風荷載及地震荷載作用下的變形及等效應力分布趨勢相同，只是最大值不同。模型一將底部筏板固結，計算出的變形值最小，恒載作用下計算出的等效應力值最大，風荷載和地震作用下計算出的等效應力值最小；模型三考慮了廠房下地基巖土的擺動剛度，計算出的變形值小于模型二但大于模型一，計算出的等效應力值小于模型二。各墻板構件在各荷載作用下的變形及等效應力分布趨勢及規律同廠房整體。

3.2配筋計算結果對比分析

利用計算得到各荷載工況的單元內力進行相應荷載工況組合后并利用配筋批量后處理程序可得到各工況下各構件的計算配筋面積及最大配筋面積云圖，據此可繪制各構件的施工圖。廠房局部墻板計算得到的最大單元配筋詳見表1，其余墻板在三種地基模型下具有相同的變化規律。

由表1以及對該廠房其他構件的配筋計算結果比較分析可知，模型二、模型三對應的墻板構件的計算最大配筋值比較接近，相差不大，這是由于模型二與模型三均考慮了地基土水平和豎向剛度，存在差異的原因是模型三考慮了土的擺動剛度。模型一在廠房底部墻板配筋計算值均大于模型二、模型三，這是由于模型一將筏板固結，未考慮地基土與上部結構的相互作用。

結論：

通過上述計算分析研究可得出以下幾點結論：

1.三種地基模型下廠房整體模態分析計算結果接近，均能較好反映上部結構的動力特性。

2.各荷載工況作用下三種地基模型對應的廠房整體變形及內力分布趨勢相同，由于各地基模型考慮地基土的作用不同使計算結果值不相同，但差別不大。

3.模型二與模型三對應的廠房各構件計算配筋值接近，模型一在廠房底部墻板配筋值大于其他模型。