核電結(jié)構(gòu)三維隔震研究

魏陸順， 張永山， 孔德睿， 劉文光， 何文福

（1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與土木建筑學(xué)院， 廣東 佛山 528000； 2. 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院， 廣州 510405；3. 上海大學(xué)土木工程系， 上海 200072）

0 引言

核電是一種技術(shù)成熟的清潔能源， 核電與水電、 火電一起構(gòu)成世界能源的三大支柱， 在世界能源結(jié)構(gòu)中有著重要的地位[1]。 核電工程結(jié)構(gòu)的抗震能力是保障核電安全的重要內(nèi)容之一[2-3]， 核電結(jié)構(gòu)抗震分兩級設(shè)防， 但地震的不確定性給核電廠的抗震安全帶來巨大的挑戰(zhàn)， 至今， 幾次重大的核電工程安全事故也是由地震災(zāi)害引起的。2007年日本柏崎刈羽核電站由于6.8 級地震影響，引發(fā)核電廠多個(gè)裝有放射性廢料的罐子傾倒、 含放射性物質(zhì)的水泄漏等事故[4]。 2011年日本東北部海域發(fā)生里氏9.0 級大地震引發(fā)巨大海嘯， 使得福島核電站多個(gè)機(jī)組發(fā)生停堆。 強(qiáng)震使得核電站外電網(wǎng)中斷， 同時(shí)應(yīng)急柴油發(fā)動機(jī)也因?yàn)楹[喪失功能， 所有電源中斷， 冷卻功能失效， 內(nèi)部燃料過熱熔毀， 發(fā)生爆炸造成核泄露。 福島核電站輻射物質(zhì)泄漏最終定性為7 級核事故， 這是迄今為止人類核電發(fā)展史上最嚴(yán)重的一次事故[5]。

結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)是目前世界上公認(rèn)有效的控制技術(shù)。 目前， 全世界運(yùn)行的核電廠中， 只有法國的Cruas 核電廠和南非的Koeberg 核電廠使用了基底水平隔震技術(shù)[6-7]。 核電結(jié)構(gòu)隔震應(yīng)用是隔震技術(shù)研究重點(diǎn)之一，日本電氣工業(yè)會于2007年9月發(fā)布著手開發(fā)次世代輕水反應(yīng)堆采用隔震技術(shù)，2008年4月能源綜合工程學(xué)研究所以及日國內(nèi)原子爐3 家制造商（三菱重工業(yè)、日立GE 核能、 東芝公司）參加共同開發(fā)核電隔震研究項(xiàng)目[8]。

目前， 隔震主要是隔離水平向地震作用[9]。2000年，日本提出用于核反應(yīng)堆的空氣彈簧整體三維隔震技術(shù)和碟形彈簧－橡膠墊三維隔震技術(shù)，并于2002年， 由清水建設(shè)開發(fā)了水平隔震采用橡膠隔震支座， 豎向采用空氣彈簧的新型的三維基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)， 并采用油壓系統(tǒng)抑制結(jié)構(gòu)的搖擺，振動臺試驗(yàn)結(jié)果表明， 結(jié)構(gòu)搖擺角控制在1/1 000以下， 取得了較好的三維減震效果[10]。 本文設(shè)計(jì)了一種新型的三維隔震系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括水平隔震層和豎向隔震層， 抗搖擺裝置安裝在豎向隔震層中用于控制結(jié)構(gòu)搖擺反應(yīng)。 為研究該三維隔震系統(tǒng)性能， 對二層鋼框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)研究， 并對核島采用三維隔震技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 三維隔震系統(tǒng)及試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)了一種新型的三維隔震系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括水平隔震層和豎向隔震層， 抗搖擺裝置安裝在豎向隔震層中用于控制結(jié)構(gòu)搖擺反應(yīng)（見圖1）。該系統(tǒng)的隔震支座功能單一， 構(gòu)造簡單， 抗搖擺系統(tǒng)也易于實(shí)施。 為研究該三維隔震系統(tǒng)性能， 對二層鋼框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了振動臺試驗(yàn)研究。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Test model

三維隔震結(jié)構(gòu)模型為2 層鋼框架， 平面尺寸為1 m×1.6 m， 結(jié)構(gòu)層高1m。 考慮配重高度， 模型X 方向高寬比為2.70， Y 方向高寬比為1.69。鋼框架結(jié)構(gòu)模型重24 kN， 首層配重24.2 kN， 頂層配重12.1 kN， 總配重36.3 kN， 結(jié)構(gòu)總重量60.3 kN。 水平隔震層采用4個(gè)LRB100 低硬度鉛芯橡膠隔震支座。 豎向隔震層采用4個(gè)鋼彈簧支座和4個(gè)豎向粘滯阻尼器， 鋼彈簧型號為14×Φ110 中×235×5.5， 豎向粘滯阻尼器提供豎向阻尼?？箵u擺系統(tǒng)采用GGD35 型重載滾動直線導(dǎo)軌副。

試驗(yàn)相似比見表1， 尺寸相似系數(shù)取為1/40?？紤]重力加速度對隔震支座應(yīng)力反應(yīng)的影響加速度相似系數(shù)取為1。 豎向隔震周期為0.49 s， 對應(yīng)原型為3.13 s， 水平隔震周期為0.53 s， 對應(yīng)原型為3.35 s， 均屬于合理的隔震周期范圍。

2 振動臺試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用的強(qiáng)震記錄包括： 1940年El Centro（El）、 1952年Taft（Ta）、 1968年Hachinohe（Ha）和1999年1999年臺灣集集地震TCU068（Chi）。為驗(yàn)證三維隔震技術(shù)的隔震效果， 對同一結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了固接和隔震的對比試驗(yàn)， 輸入地震記錄速度峰值為4 cm/s（對應(yīng)原型為25 cm/s）。 三向輸入工況下， 加速度對比結(jié)果見圖2。

表1 模型與原型相似比Table 1 The similarity ratio between target building and test model

4 條強(qiáng)震記錄作用下， 對比輸入值， 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)頂層加速度放大系數(shù)均值X 向?yàn)?.78， Y 向?yàn)?.47， Z 向?yàn)?.49； 隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度放大系數(shù)均值X 向?yàn)?/1.07， Y 向?yàn)?/1.71， Z 向?yàn)?.29。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)頂層加速度放大系數(shù)X 向?yàn)楦粽鸾Y(jié)構(gòu)的4.05 倍， Y 向?yàn)?.95 倍， Z 向?yàn)?.93 倍。 三向隔震能有效地減小上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)， 具有較好的隔震效能。

圖2 加速度反應(yīng)對比Fig. 2 Comparison of response acceleration between fixed and 3D isolated models

三維隔震結(jié)構(gòu)中豎向隔震層設(shè)置在1 層頂部，對比1 層加速度， 頂層加速度Z 向放大系數(shù)均值為1/1.91， 豎向隔震效果顯著。

3 核電結(jié)構(gòu)三維隔震探討

本文以我國引進(jìn)的第三代AP1000 核電廠為研究對象， 研究核島廠房系統(tǒng)的三維隔震地震反應(yīng)，其總重量約為128 000 t。 AP1000 核島及內(nèi)部設(shè)備見圖3， 為研究AP1000 核島廠房的三維隔震控制方法， 其三維隔震模型如圖4 所示， 包括水平隔震層和豎向隔震層， 抗搖擺裝置安裝在豎向隔震層中用于控制結(jié)構(gòu)搖擺反應(yīng)。 該系統(tǒng)的隔震支座功能單一， 構(gòu)造簡單， 抗搖擺系統(tǒng)也易于實(shí)施。

三維隔震設(shè)計(jì)目標(biāo)在保留AP1000 機(jī)組原先核島廠房上部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部所有配套核設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)不變的前提下， 把原AP1000 系列機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)0.30 g 的能力予以翻倍成0.60 g（水平向?yàn)?.60 g， 豎向?yàn)?.80 g）， 以適應(yīng)今后更嚴(yán)峻的地震設(shè)計(jì)環(huán)境。

AP1000 采用修正RG1.6 反應(yīng)譜。 依據(jù)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜， 采用等效線性方法對應(yīng)的水平反應(yīng)結(jié)果見圖5。 為控制隔震層位移反應(yīng)， 停堆地震作用下，由屈服后剛度對應(yīng)的隔震結(jié)構(gòu)周期在2.0 s， 對應(yīng)下阻尼比15%左右是合理的設(shè)計(jì)值， 其對應(yīng)的基底剪力系數(shù)0.3~0.4 之間。

圖3 AP1000 核島Fig.3 Nuclear island of AP1000

三維隔震分析輸入地震時(shí)程記錄基于實(shí)測的Taft（簡稱Ta）和El Centro（El）地震記錄， 通過頻域調(diào)幅的方法， 保留了實(shí)測記錄的相位， 時(shí)程反應(yīng)譜及其與5%阻尼比的RG1.60 修正譜的匹配情況見圖6。 隔震采用單質(zhì)點(diǎn)模型分析， 三維隔震結(jié)構(gòu)X 向、 Y 向屈服后剛度對應(yīng)隔震周期取2.06 s， 屈重比為7.5%， Z 向隔震周期2 s， 阻尼比為15%情況下， 在X 向、 Y 向和Z 向輸入加速度幅值分別為0.6 g、 0.6 g 和0.8 g， 得到隔震后X 向記錄5%阻尼比反應(yīng)譜的對比見圖6。 隔震層滯回性能見圖7， 最大位移X 向593 mm， Y 向486 mm， Z 向369 mm。

圖4 AP1000 核島結(jié)構(gòu)三維隔震模型Fig.4 The 3D isolation model of AP1000nuclear island structure

圖5 水平反應(yīng)預(yù)測Fig.5 Forecast results of horizontal response

圖6 水平輸入反應(yīng)譜對比Fig.6 Comparison of horizontal input response spectra

圖7 隔震層滯回性能Fig.7 Hysteresis loops of isolation layer

由圖6 對比結(jié)果可知， 水平輸入0.6 g 情況下， 1 Hz 以上頻率范圍內(nèi)， 隔震后記錄反應(yīng)譜幅值較0.3 g 設(shè)計(jì)譜仍小很多。 對于大于1 Hz 的核電結(jié)構(gòu)、 設(shè)備和設(shè)施， 采用隔震后， 其地震作用大大降低， 抗震安全性大大提高； 對于基頻小于1 Hz 的如管線、 水池等， 在0.6 g 作用下， 其地震反應(yīng)較設(shè)計(jì)譜會大很多， 應(yīng)是核電隔震設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮內(nèi)容， 可提高對應(yīng)構(gòu)件的支撐剛度或增加阻尼以降低其反應(yīng)。

4 結(jié)論

本文對2 層鋼框架三維隔震結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)研究， 并對AP1000 核島結(jié)構(gòu)采用三維隔震進(jìn)行了分析， 結(jié)論如下：

（1）與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)放大效果相比， 三維隔震結(jié)構(gòu)隔震效果顯著。 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)頂層加速度與隔震結(jié)構(gòu)比X 向?yàn)?.05 倍， Y 向?yàn)?.95 倍， Z 向?yàn)?.93倍， 三維隔震結(jié)構(gòu)抗震性能大大提高。

（2）基于修正RG1.6 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜， 采用三維隔震技術(shù)， AP1000 系列機(jī)組其標(biāo)準(zhǔn)抗震設(shè)計(jì)能力可實(shí)現(xiàn)翻倍。

（3）通過單質(zhì)點(diǎn)時(shí)程分析可知， 采用三維隔震后， 低頻反應(yīng)譜幅值較設(shè)計(jì)譜有較大增加， 對于基頻小于1 Hz 設(shè)備， 其抗震性能應(yīng)重點(diǎn)考慮。

（4）核電結(jié)構(gòu)采用三維隔震后， 核電站整體結(jié)構(gòu)抗震性能顯著提升， 對提高核電廠抗震性能具有重要參考意義。

[1] 丁其華， 王海丹. 2009年世界核電發(fā)展回顧[J]. 國外核新聞， 2010 (01)： 13-18.

[2] 林 皋. 核電工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究綜述（I）[J]. 人民長江， 2011， 42（19）： 1-5.

[3] 林 皋. 核電工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究綜述(II) [J]. 人民長江， 2011， 42（21）： 1-6.

[4] 気象庁(日本) . 2007年7月16日10 13 分ころ新県上中越で発生した地震について (報(bào)道発表資料)[N] . 新潟県災(zāi)害対策本部， 2007

[5] メルトダウン」 という悪夢--ドキュメント原発神話崩壊 (緊急特集3.11日本最大の試練.Nikkei business(1583)[N] .日経BP 社， 2011.

[6] Malushte S R， Whittaker A S. Survey of past isolation applications in nuclear power plants and challenges to industry /regulatory acceptance ［C］//Transactions of the 18th Internat-ional Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology（SMiRT 18）. K10 － 7. 出版者不詳， 2005．

[7] Forni M． Seismic isolation of nuclear power plants ［C］ / /Proceedings of the “ Italy in Japan 2011” Initiative Science， Technology and Innovation. 出版者不詳， 2011．

[8] 山本知史， 古川茂， 島本龍， 等.次世代軽水爐の免震技術(shù)の開発：(その1) 免震技術(shù)の開発計(jì)畫(免震(1)，原子力プラント， 構(gòu)造Ⅱ) [C]\日本建築學(xué)會大會學(xué)術(shù)講演梗概集. 出版者不詳2010： 1131-1132.

[9] Bujar Myslimaj， Mitsumasa Midorikawa et al. Seismic beh-avior of a newly developed baseisolation system for houses [J]. Journal of Asian Architecture and Building Engi-neering， 2002， 1（2）： 17-24

[10] 魏陸順， 劉雷斐， 梁歡文. 三維隔震振動臺試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2014， 42（03）： 33-38.