某小型核電站考慮土和結(jié)構(gòu)相互作用的抗震分析

劉 釗 呂 喆

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

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某小型核電站考慮土和結(jié)構(gòu)相互作用的抗震分析

劉 釗 呂 喆

(中國核電工程有限公司，北京 100840)

以某小型核電站核島廠房為研究對象，通過考慮土和結(jié)構(gòu)動力相互作用的抗震分析計算，分析了地基條件、埋置深度和阻尼比對核島廠房抗震效果的影響，為該核電站的廠址選擇提供了依據(jù)。

小型核電站，地基，阻尼比，抗震分析

0 引言

目前我國已有的核電站大多在沿海地區(qū)，然而我國幅員遼闊，很多場合難以使用大型核電機(jī)組，因此要大力推進(jìn)核電的發(fā)展，需要研究一種適用性更廣的小型核電站。地震作用是小型核電站研究中需要考慮的最主要因素之一，在地震荷載作用下，土與結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，因此需要進(jìn)行土和結(jié)構(gòu)動力相互作用分析[1，2]。本文以某小型核電站核島廠房為研究對象，采用ANSYS軟件建立有限元模型，通過ACS SASSI軟件進(jìn)行土和結(jié)構(gòu)動力相互作用的抗震分析計算[3]，研究其在不同地基條件、不同埋置深度和不同阻尼比條件下的抗震計算結(jié)果，分析地基條件、埋置深度和阻尼比對核島廠房抗震效果的影響。

1 有限元分析

1.1 有限元模型

核島廠房采用通用有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型，采用以下單元類型：點單元Mass21、梁單元Beam4、實體單元Solid45和殼單元Shell63。所有材料均采用線彈性各向同性強(qiáng)化模型，安全殼的彈性模量為3.45×1010Pa，泊松比為0.2，阻尼比為0.05；其余材料的彈性模量為3.25×1010Pa，泊松比為0.2，阻尼比為0.07。由于在計算中要考慮土和結(jié)構(gòu)的相互作用，因此在建模過程中需要在土和結(jié)構(gòu)接觸面上建立相互作用的節(jié)點及單元。相互作用節(jié)點和單元的數(shù)量與結(jié)構(gòu)埋置深度有關(guān)。核島廠房的三維有限元模型如圖1所示。

1.2 地基條件

為研究不同地基條件對核島廠房抗震效果的影響，參考我國GB 50267—97核電廠抗震設(shè)計規(guī)范[4]以及ASCE 4—98美國核電廠抗震設(shè)計規(guī)范[5]，本文計算時選用7種不同的地基參數(shù)，如表1所示。建模過程中地基土壤的分層和厚度應(yīng)與相互作用單元的厚度一致。如廠址參數(shù)在計算所用參數(shù)的下限左右，應(yīng)考慮到廠址不確定性的因素，進(jìn)行特定廠址下的評估分析。

表1 計算所用地基參數(shù)

為研究不同埋置深度對核島廠房抗震效果的影響，計算時選用4種埋置深度，分別為無埋置、埋置5 m、埋置10 m和埋置20 m。為研究不同結(jié)構(gòu)阻尼比對核島廠房抗震效果的影響，計算時采用兩種阻尼比，即0.02和0.05。

1.3 輸入條件

核島廠房的計算分為三個方向，即水平X方向、水平Y(jié)方向和豎直Z方向。其中水平X方向?qū)?yīng)核島廠房的軸線，水平Y(jié)方向?qū)?yīng)核島廠房的⑥軸線，豎直Z方向由右手螺旋法則確定。

對于極限安全地震動水平，水平方向和豎直方向的地面峰值加速度均為0.3g。輸入時程采用單組人工擬合時程，包含相互獨(dú)立并正交的兩個水平方向和一個豎直方向的三條時程，時程輸入位置為核島基地位置，即Z=-41.02 m處。

2 計算結(jié)果

計算結(jié)果為關(guān)鍵點位置的樓層反應(yīng)譜和核島廠房的峰值加速度。關(guān)鍵點為有代表性的節(jié)點，如重要設(shè)備處、墻板交接處等。

1)地基條件的影響。在無埋置、阻尼比為0.02的條件下，不同剪切波速對某關(guān)鍵點水平X向反應(yīng)譜的影響如圖2所示。由圖2中可以看出，地基的剪切波速越小，上部結(jié)構(gòu)的峰值加速度越小。地震作用是通過地基傳遞給結(jié)構(gòu)的，地基的剪切波速越小，阻尼比越大，對地震作用的能量耗散越大，因此傳遞給結(jié)構(gòu)的地震作用越小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的峰值加速度越小。由圖2中還可以看出，隨著地基剪切波速的增大，上部結(jié)構(gòu)的振動主頻率增大，即反應(yīng)譜曲線向右移動。地基剪切波速越大，地基與上部結(jié)構(gòu)的剛度越大，因此上部結(jié)構(gòu)的振動主頻率越大。2)埋置深度的影響。在地基剪切波速為2 400 m/s、阻尼比為0.02的條件下，不同埋置深度對水平X向反應(yīng)譜的影響如圖3所示。由圖3中可以看出，考慮埋置效應(yīng)會明顯降低結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，且基礎(chǔ)埋置的深度越大，上部結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)越小。這是因為地基能對上部結(jié)構(gòu)起到嵌固作用，減少上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，埋置深度越大，這種嵌固作用越大，因此上部結(jié)構(gòu)的加速度越小。3)阻尼比的影響。在地基剪切波速為2 400 m/s、無埋置的條件下，不同阻尼比對水平X向反應(yīng)譜的影響如圖4所示。由圖4可以看出，結(jié)構(gòu)阻尼比越大，地震作用下的加速度越小。結(jié)構(gòu)阻尼比反映的是使結(jié)構(gòu)自由振動衰減的阻礙作用的大小，阻尼比越大，阻礙結(jié)構(gòu)自由振動的作用越大，因此加速度越小。

3 結(jié)語

對于地震作用下土和結(jié)構(gòu)的相互作用，傳統(tǒng)處理方法是簡單的附加一靜力矩或靜橫向剪力進(jìn)行計算，由于該方法的盲目性，有時計算結(jié)果并不安全，而且還會造成經(jīng)濟(jì)上的較大浪費(fèi)。本文的方法能對地震作用下淺埋、深埋及地下建筑物的線性及非線性土和結(jié)構(gòu)動力相互作用進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。本文的研究可為該小型核電站核島廠房在巖石地基、非巖石地基等多種地基條件下的抗震分析提供技術(shù)支持，為該核電站的廠址選擇提供依據(jù)，進(jìn)而能夠拓寬該核電站的適用廠址范圍，減少其區(qū)域性限制，更好的發(fā)揮其優(yōu)勢。

[1] 蔣 通,[日]田治見宏.地基—結(jié)構(gòu)動力相互作用分析方法——薄層法原理及應(yīng)用[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2009.

[2] 張克恭,劉松玉.土力學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3] Ghiocel Predictive Technologies,Inc. ACS SASSI User Manuals[Z].2014.

[4] GB 50267—97,核電廠抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[5] ASCE 4—98,Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures and Commentary[S].

Seismic analysis of a small nuclear power plant based on soil-structure interaction

Liu Zhao Lv Zhe

(ChinaNuclearPowerEngineeringCo.,Ltd,Beijing100840,China)

Taking the nuclear island workshop of the small nuclear power plant as the research target, through seismic analysis and calculation based on soil-structure interaction, the paper analyzes the impact of foundation base conditions, embedding depth and damping ratio upon the seismic effect of the nuclear island workshop.

small nuclear power plant, foundation base, damping ratio, seismic analysis

1009-6825(2016)30-0070-02

2016-08-19

劉 釗(1985- )，男，工程師

TU352

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