核電站不同結(jié)構(gòu)模型的比較教學(xué)研究

侯鋼領(lǐng) 劉宇 王炳媛

摘要：應(yīng)用結(jié)構(gòu)隔震減震技術(shù)減小核電站的地震響應(yīng)，培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力和興趣。以某AP1000核電站屏蔽廠房為例，應(yīng)用比較教學(xué)方法，比較傳統(tǒng)非隔震模型、基礎(chǔ)隔震模型、基礎(chǔ)隔震—調(diào)諧質(zhì)量阻尼（TMD）模型和TMD模型的地震響應(yīng)，表明隔震減震技術(shù)可以大幅度提高核電站抗震安全性。本研究對(duì)結(jié)構(gòu)抗震課程的隔震減震教學(xué)具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：核電站;比較教學(xué);基礎(chǔ)隔震;調(diào)諧質(zhì)量阻尼;基礎(chǔ)隔震—調(diào)諧質(zhì)量阻尼

中圖分類號(hào)：G642.0 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號(hào)：1005-2909（2020）04-0117-05

比較教學(xué)由探究和研討兩個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成，是提高教學(xué)質(zhì)量的重要方法之一。比較教學(xué)可引導(dǎo)學(xué)生在探究活動(dòng)中獲取感性認(rèn)識(shí)，在研討過(guò)程中獲取理性知識(shí)。探究和研討緊密相連，探究得越充分，研討就越深入，研討越深入，建立的概念就會(huì)更清晰準(zhǔn)確[1]。在土木工程學(xué)科領(lǐng)域中，伍云天等人開(kāi)展了比較教學(xué)研究，給出了適合中國(guó)國(guó)情的教育改革方案[2]。何結(jié)兵應(yīng)用比較教學(xué)，進(jìn)行了超靜定梁的教學(xué)方法研究，取得了很好的教學(xué)效果[3]。

建筑結(jié)構(gòu)抗震學(xué)科受結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性與地震響應(yīng)的相互影響，涉及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，一直是土木工程教學(xué)的難點(diǎn)[4]。徐趙東等應(yīng)用MATLAB軟件，進(jìn)行了建筑結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)控制分析[5]。陳清軍和李文婷應(yīng)用ANSYS軟件，探討了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的多元化教學(xué)，取得了良好的效果[6]。馬樂(lè)為等基于脈沖頻響函數(shù)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析，為頻域分析奠定了基礎(chǔ)[7]。熊森等基于傳遞函數(shù)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析，表明了頻域分析的優(yōu)越性[8]。上述教學(xué)研究成果為計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)奠定了基礎(chǔ)，也為應(yīng)用比較教學(xué)方法開(kāi)展結(jié)構(gòu)抗震教學(xué)提供了工具。基于此，針對(duì)核電站特殊抗震安全要求和地震隨機(jī)性的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)比較教學(xué)模型，應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)隔振減震新技術(shù)提高核電站安全水平，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，提高建筑結(jié)構(gòu)抗震課程的教學(xué)質(zhì)量。

一、比較教學(xué)的模型設(shè)計(jì)

AP1000核電站作為第三代核電站的代表[9]，是中國(guó)和美國(guó)核工業(yè)科研人員合作的結(jié)晶。以AP1000核電站屏蔽廠房（如圖1）為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)比較教學(xué)模型，通過(guò)比較各個(gè)模型在時(shí)域的地震響應(yīng)，提高教學(xué)質(zhì)量。

基于結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范，根據(jù)教學(xué)需要，設(shè)計(jì)四個(gè)分析模型。屏蔽廠房各部分之間采用固定連接的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2（a），即模型A，稱為非隔震模型。保持結(jié)構(gòu)其他部分不變，僅將模型A基礎(chǔ)與地基的固定支座連接修改為隔震支座連接，構(gòu)建BIS屏蔽廠房，如圖2（b），即模型B，稱為基礎(chǔ)隔震模型。采用陳建云等AP1000核島基礎(chǔ)隔震研究成果，BIS屏蔽廠房的等效周期為1.56 s，等效阻尼比為10%[10]。在保證重力水箱結(jié)構(gòu)完整性的前提下，可以適當(dāng)放大重力水箱及其液體水的地震響應(yīng)。基于此，修改了重力水箱上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的固定連接方式，采用可調(diào)整剛度和阻尼比的TMD支座連接，形成TMD結(jié)構(gòu)，如圖2（d），即模型D，稱為T(mén)MD模型。將TMD結(jié)構(gòu)與模型B基礎(chǔ)隔震形式相結(jié)合，形成BIS-TMD結(jié)構(gòu)，如圖2（c），即模型C，稱為BIS-TMD模型。

由于AP1000屏蔽廠房屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可采用集中質(zhì)量簡(jiǎn)化模型和等價(jià)線性化模型，通過(guò)有限元分析給出各模型的簡(jiǎn)化分析模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)，詳見(jiàn)圖2和表1[11]。

三、教學(xué)內(nèi)容的比較

（一）普通建筑與核電站的抗震比較教學(xué)

普通建筑的抗震設(shè)計(jì)方法通過(guò)結(jié)構(gòu)變形和振動(dòng)消耗地震輸入能量，在極端地震作用下允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段，甚至局部破壞階段。

與普通建筑不同的是，核電站必須始終滿足3項(xiàng)安全基本功能[9]，其中任何一項(xiàng)基本功能失效，都會(huì)導(dǎo)致安全事故：（1）具有安全停堆的基本功能，終止核裂變的發(fā)生，并且能夠保持安全停堆狀態(tài);（2）具有余熱導(dǎo)出功能，在有效時(shí)間范圍內(nèi)冷卻系統(tǒng)能夠安全地冷卻堆芯，防止堆芯高溫熔化;（3）具有包容密封功能，在任何情況下，應(yīng)該將放射性物質(zhì)包容在內(nèi)安全殼內(nèi)部，防止核輻射元素?cái)U(kuò)散。

與核電站的三項(xiàng)安全基本功能一一對(duì)應(yīng)，核電站必須滿足的三項(xiàng)特殊抗震要求：（1）安全停堆功能要求，核設(shè)備與支撐結(jié)構(gòu)不能有較大的相對(duì)位移、相對(duì)加速度和絕對(duì)加速度等地震響應(yīng);（2）余熱導(dǎo)出功能要求，核支撐結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，不允許發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞;（3） 密封功能要求，保證內(nèi)安全殼等結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)裂縫，或者較大的結(jié)構(gòu)變形。

與普通建筑結(jié)構(gòu)相比，核電站有更高的抗震要求，抗震設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)體系也有所不同，抗震設(shè)計(jì)還需要發(fā)展。

（二）不同結(jié)構(gòu)模型抗震響應(yīng)的比較教學(xué)

比較各個(gè)模型的基底剪力，從大到小依次為模型A、 模型D、模型B、模型C，模型A的基底剪力最大，模型C的最小，僅為模型A的17.7%。

比較各個(gè)模型的結(jié)構(gòu)位移，從大到小依次為模型B、 模型C、模型A、模型D，模型B的結(jié)構(gòu)位移最大，模型D最小。這主要是由于在TMD吸振作用下，模型D在基底剪力和主體結(jié)構(gòu)位移兩方面都有較好的減震效果。基礎(chǔ)隔震有效地延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)周期，減小了基底剪力和加速度地震響應(yīng)，但放大了結(jié)構(gòu)位移。比較各個(gè)模型的層間位移，模型B和模型C的層間位移很小，這是因?yàn)楦粽鸾Y(jié)構(gòu)的位移主要集中在隔震層。

從不同模型的地震響應(yīng)分析來(lái)看，采用隔震減震技術(shù)可以大幅減小核設(shè)備及支撐結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，特別是BIS-TMD模型即模型C，減震效果最優(yōu)，更好地綜合了模型B和模型D的優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用比較教學(xué)，通過(guò)比較不同模型的地震響應(yīng)，比較普通建筑與核電站抗震要求的不同，有利于學(xué)生理解結(jié)構(gòu)抗震課程的隔震減震技術(shù)教學(xué)內(nèi)容，掌握隔震減震技術(shù)在減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)中所發(fā)揮的作用，激發(fā)土木工程專業(yè)學(xué)生的科技創(chuàng)新興趣和能力。

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Abstract：?To cultivate students ability and interest in structural innovation of the reduction effective of seismic response of nuclear power plants （NPPs） by base isolation and shock absorption technology is shown. Considering AP1000 NPPs shield building as an example， the seismic performance of NPPs with the different design configurations of non base isolation， BIS， BIS-TMD and TMD is simulated by comparative teaching method. And the improvement of seismic safety level of NPPs by base isolation and shock absorption technology is tested. This study has reference value for teaching structural seismic design.

Key words： nuclear power plants（NPPs）; comparative teaching; base isolation; tuned mass damping （TMD）; base isolation-tuned mass damping （BIS-TMD）

（責(zé)任編輯 梁遠(yuǎn)華）