不同地基條件下核島結構動力響應特征研究

倪 恒，劉翔宇，劉飛成(.國核電力規劃設計研究院，北京 00094； .西南交通大學土木工程學院，四川成都 6003)

不同地基條件下核島結構動力響應特征研究

倪 恒1，劉翔宇1，劉飛成2
(1.國核電力規劃設計研究院，北京 100094； 2.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

建立不同地基條件下AP1000核島結構的分析模型，對計算模型作用3種人工地震波，并對各個質點的加速度數據進行監測和分析。研究結果表明：軟土和硬巖地基條件下，核島結構從下到上，水平向PGA放大系數先減小后增大，而豎向PGA放大系數幾乎保持不變。對于AP1000核島結構的水平向PGA放大系數表現為軟土場地>硬巖場地，而垂直向PGA放大系數表現為軟土場地<硬巖場地；軟土場地和硬巖場地條件下核島結構的加速度反應譜均表現出單峰特征，水平向軟土場地的反應譜峰值大于硬巖場地，垂直向軟土場地的反應譜峰值小于硬巖場地。本文的研究成果對認識AP1000核島結構的地震響應具有一定的指導意義。

AP1000；核島結構；PGA放大系數；反應譜

20世紀60年代世界范圍內核電得到了蓬勃的發展，但在經過兩次核電事故后，核電發展放緩，部分國家甚至終止了本國核電的發展[1]。在國際原子能機構的推動下，核電技術不斷得到發展和完善，90年代開發的第三代(Gen Ⅲ)核電技術，在安全性和經濟性上得到了極大改進[2]。AP1000是美國西屋公司在非能動先進壓水堆AP600的基礎上開發的二回路壓水反應堆，是第三代核電堆型[3]。2015年是中國的核電重啟之年，以華龍一號、AP1000、CAP1000為代表的第三代核電技術將引領我國未來一段時間內的核電發展方向。自AP1000引入我國以來，已經有較多的學者對其進行了針對性的研究。臧明昌[4]對AP1000的發展歷程進行了梳理；黃來等人[5]對AP1000的核島技術進行了探究；王永峰等人[6]對其關鍵設備的制造及國有化進行了分析；劉立欣等人[7]對其典型的運行瞬態進行了研究；孫文濤等人[8]建立了用于AP1000的電力系統穩定分析動態模型。近些年，部分學者又將目光投向了AP1000核電站的抗震安全。刑國雷等人[9]對其常規島主廠房結構彈塑性地震響應進行了分析；高夢夢等人[10]考慮FSI對其屏蔽結構的地震易損性進行了研究；李忠誠等人[11]對其進行了抗震分析。上述研究雖然對AP1000的抗震性能進行了探索，但是還很不夠。本文針對AP1000的核島結構建立兩種不同地基條件下的分析模型，對地震作用下其加速度響應特征和反應譜特征進行探究，以期對AP1000的抗震設計和地震風險評估提供參考。

1 計算模型

AP1000核電廠包含5個主要廠房結構，包括核島結構、汽輪機廠房、輔助廠房、柴油機廠房和放廢廠房。本文研究對象為AP1000的核島結構模型。AP1000核島結構包括安全殼廠房、屏蔽廠房和輔助廠房，這些結構坐落在同一基礎。計算中將AP1000簡化為多質點簡化體系，其中模型的主要質量點選擇在結構的主要樓層或者結構不連續位置?？紤]結構的剛度中心和質量中心位置不同引起的偏心，該偏心使用水平向梁連接質量點與豎直向結構梁進行模擬。每個廠房的集中質量點與其他結構的梁單元相互連接構成整個核島結構的動力模型，該模型包括屏蔽廠房、輔助廠房、鋼安全殼、吊車梁、內部結構、反應堆冷卻循環系統(包括兩個蒸汽發生器和一個穩壓器)；反應堆冷卻循環系統耦合在內部結構上；吊車梁耦合在鋼安全殼上；其他質量小于相應支撐核島結構質量1 %的子系統和設備作為集中質量點耦合于簡化模型中。

相關研究表明，對于核島結構而言，臨近建筑結構物的存在對核島地震響應的影響很小，基于此，在進行AP1000地震響應分析時，不考慮臨近建筑結構的影響。故本次分析在考慮土-結構相互作用，主要針對安全殼廠房(鋼安全殼和安全殼內部結構)進行地震響應分析。一般來說鋼質安全殼廠房是一個獨立的、圓筒狀、上下兩端都有橢圓頂的軸對稱鋼殼結構(圖1)，基于軸對稱殼模型，可以利用簡化質點結構進行簡化模擬。為了驗證簡化多質點模型的合理性，分別將簡化多質點模型和殼單元模型的動力特性列于表1。

表1 不同模型中的安全殼廠房的自振頻率比較

通過表1可以看出，簡化多質點模型與殼單元改進模型的第1模態和第2模態的豎直方向和水平方向的自振頻率比較接近，說明簡化多質點模型可以很好的模擬結構的動力特性，即能很好的模擬結構在地震作用下的動力響應。本次分析重點是關注安全殼廠房內部密封圓筒罐的動力響應，故根據AP1000的相關設計文件可以得到，安全殼廠房內部的密封鋼圓筒罐高度為65.633 m，密封圓筒罐中的回轉吊車以及吊車梁的高程在140.691 m，在此基礎上，根據實際密封圓筒罐中的結構分布，利用多質點與桿件體系對其進行簡化，簡化后的示意圖如圖2所示。

圖1 AP1000示意

圖2 簡化多質點體系示意

通過圖2可以看出，簡化多質點體系共有20個質點，各個質點的編號如圖2所示。下面將20個質點的有效質量以及自振頻率列于表2。

根據相關設計文件，當地表土層的剪切波速為304.8 m/s時，在進行地震分析時須考慮土與結構相互作用。且AP1000所在的土層有如下要求：對于軟土場地，地表層的剪切波速最小為304.8 m/s，且隨著深度增加線性增大，直至地表以下73.152 m(達到2 438 m/s)，而基礎深度為36.576 m，同時將基礎簡化為用3個質點代替，將3個質點的高度分別設在基礎1/6、3/6以及5/6高度處(即地表以下6.1 m、18.3 m、30.5 m)，輸入的地震波從基礎質點輸入，輸入的地震波峰值為0.3g。

表2 簡化多質點體系的質點性質

對于軟土地基，計算采用的3個基礎質點處土體參數分別為：(1)彈性模量E為0.91 GPa，泊松比為0.25，密度為2.3 g/cm3，土體剪切波速為393.82 m/s；(2)彈性模量E為1.92 GPa，泊松比為0.25，密度為2.3 g/cm3，土體剪切波速為572.04 m/s；(3)彈性模量E為3.3 GPa，泊松比為0.25，密度為2.3 g/cm3，土體剪切波速為749.96 m/s。在基礎質點上設置邊界彈簧，模擬周圍土體的約束作用，阻尼采用瑞利阻尼。計算得到各個彈簧的剛度和阻尼如表3所示。

表3 軟土地基彈簧的剛度和阻尼

對于硬巖場地，計算采用的基礎質點處土體參數為：彈性模量E為33.5 GPa，泊松比為0.25，密度為2.3 g/cm3，土體剪切波速為2 343.07 m/s。計算得到彈簧的剛度和阻尼如表4所示。

表4 硬巖場地彈簧的剛度和阻尼

2 計算結果分析

2.1 PGA放大系數分析

本文關注的是地震波作用下AP1000核島結構的動力響應。吊車橫梁作為附屬結構，本文不作分析，因此本文只分析1～14號質點的地震響應。3種人工波作用下軟土地基和硬巖地基上1～14號質點的PGA放大系數如圖3、圖4所示。PGA放大系數指各個質點實測地震波時程峰值與輸入地震波峰值之比。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向圖3 軟土地基AP1000核島結構PGA放大系數

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向圖4 硬巖地基AP1000核島結構PGA放大系數

圖3、圖4表明，3種地震波作用下，軟土地基和硬巖地基上AP1000核島結構體現出類似的響應。水平方向(x向和y向)PGA放大系數最大值出現在第14號質點處，即結構物的頂端，PGA放大系數最小值出現在11號質點處。x方向可以近似認為6號質點以上PGA放大系數大于1，6號質點以下PGA放大系數小于1；而y方向則近似表現為7號質點以上PGA放大系數大于1，7號質點以下PGA放大系數小于1；在垂直z方向，1～14號質點的PGA放大系數幾乎不隨高程而發生變化。

比較軟土場地和硬巖場地上AP1000核島結構的加速度響應可以看出，軟土場地和硬巖場地上AP1000核島結構的水平向和豎向PGA放大系數隨高程變化規律一致，具體表現為：從下到上，水平向PGA放大系數先減小隨后增大，尤其在吊車橫梁以上水平向PGA放大系數明顯增大，而豎向PGA放大系數幾乎保持不變。對于AP1000核島結構的水平向PGA放大系數表現為軟土場地>硬巖場地，而垂直向PGA放大系數表現為軟土場地<硬巖場地。

2.2 反應譜分析

3種不同地震波作用下14號質點(結構頂部)的反應譜如圖5、圖6所示。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向圖5 3種地震波作用下軟土場地加速度反應譜

對于軟土場地，通過3種地震波作用下結構頂部質點的三向加速度反應譜圖可以看出，x向和y向加速度反應譜都表現出明顯的單峰特性，其中x向特征周期為1.74 s，y向特征周期為1.48 s。對于z向加速度反應譜，RG1.60人工波和AP1000規定地震設計反應譜人工波作用下的豎向加速度反應譜較吻合，總體上均小于核電廠抗震設計規范人工波作用下的豎向加速度反應譜值。

對于硬巖場地，通過3種地震波作用下結構頂部質點的三向加速度反應譜圖可以看出，3種地震波作用下x向、y向加速度反應譜表現出單峰特性，x向特征周期約為2.20 s，y向特征周期約為1.55 s。對于z向加速度反應譜，當周期小于特征周期時，反應譜值表現為核電廠抗震設計規范人工波>AP1000規定地震設計反應譜人工波>RG1.60人工波，當周期大于特征周期時，3種地震波作用下反應譜幅值較接近。

(a)x方向

(b)y方向

(c)z方向圖6 3種地震波作用下硬巖場地加速度反應譜

對比軟土場地和硬巖場地AP1000核島結構體系頂部質點的反應譜峰值可以發現，水平方向軟土場地的反應譜峰值大于硬巖場地，垂直方向軟土場地的反應譜峰值小于硬巖場地。

3 結論

通過本文的研究，可以得到以下一些結論。

(1)AP1000核島結構自下而上水平向PGA放大系數先減小后增大，結構頂部放大系數最大，垂直向PGA放大系數幾乎不隨高程發生變化。

(2)地基條件對AP1000核島結構的PGA放大系數具有較大的影響，水平向表現為軟土場地>硬巖場地，垂直向表現為軟土場地<硬巖場地。

(3)水平x向和y向的加速度反應譜表現為單峰特征，水平方向軟土場地的反應譜峰值大于硬巖場地，垂直方向軟土場地的反應譜峰值小于硬巖場地。

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倪恒(1977～)，男，高級工程師，碩士，主要從事電力行業巖土工程方面的研究。

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[定稿日期]2016-08-30