不同地基模型的抗震I類核電廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算研究

[摘要]抗震I類核電廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算需考慮的荷載效應(yīng)組合多，廠房地基巖土的平均剪切波速不大于2400m/s時(shí)，上部結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算應(yīng)考慮地基與結(jié)構(gòu)的相互作用。本文對(duì)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(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，對(duì)各種地基模型的上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析研究。

[關(guān)鍵詞]核電廠；抗震I類；底部約束

抗震I類核電廠房結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)考慮的荷載類型比一般民用和工業(yè)建筑要多，如需考慮極端環(huán)境下地震作用、龍卷風(fēng)荷載、沖擊波荷載等：需考慮大量的荷載效應(yīng)組合，一般要考慮數(shù)百種荷載效應(yīng)組合。根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50267-20XX、報(bào)批稿）可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)地基巖土的平均剪切波速不大于2400m/s時(shí)，上部結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算應(yīng)考慮地基與結(jié)構(gòu)的相互作用。

本文對(duì)某核電廠抗震I類BOP廠房采用ANSYS軟件進(jìn)行建模，考慮結(jié)構(gòu)底部固結(jié)、底部施加三向平動(dòng)彈性約束和底部施加三向平動(dòng)+水平雙向擺動(dòng)彈性約束三種不同的底部約束邊界條件，利用ANSYS軟件和內(nèi)力及配筋批量后處理程序進(jìn)行該廠房的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算，給出各種地基模型的上部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比分析，以期對(duì)今后實(shí)際工程中抗震I類核電廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所借鑒。

1、工程概況及計(jì)算模型

1.1工程概況

本文對(duì)某核電廠抗震I類BOP廠房，采用極限安全地震動(dòng)（SSE）進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要遵循的規(guī)范為《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50267-20XX）和《壓水堆核電廠核安全有關(guān)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求》（NB/T 20012-2010），運(yùn)行安全地震（SL-1地震）震動(dòng)峰值加速度為0.10g，極限安全地震（SL-2地震）震動(dòng)峰值加速度為0.20g。本廠房采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑物設(shè)計(jì)使用年限50年。廠房基底為微風(fēng)化二長(zhǎng)淺粒巖，剪切波速平均值為2328m/s。

1.2計(jì)算模型

采用ANSYS軟件建立廠房三維有限元模型，本文對(duì)結(jié)構(gòu)底部固結(jié)（以下簡(jiǎn)稱模型一）、底部施加X(jué)、Y、Z三向平動(dòng)彈性約束（以下簡(jiǎn)稱模型二）和底部施加X(jué)、Y、Z三向平動(dòng)+X、Y兩向擺動(dòng)彈性約束（以下簡(jiǎn)稱模型三）三種不同的底部約束邊界條件地基模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。模型二及模型三彈簧剛度根據(jù)地勘報(bào)告和《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50267-20XX）計(jì)算得到。

2、橫態(tài)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

對(duì)三種地基模型對(duì)應(yīng)的廠房整體進(jìn)行模態(tài)分析，由模態(tài)分析結(jié)果可知模型三前九階振型為底部地基彈簧的局部振動(dòng)，其振型有效質(zhì)量均很小。模型三考慮了場(chǎng)地土的擺動(dòng)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(duì)應(yīng)的頻率及有效質(zhì)量都比較接近。模型一由于底板固結(jié)，其主振型對(duì)應(yīng)的頻率及有效質(zhì)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(duì)應(yīng)的廠房結(jié)構(gòu)模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果接近，均能較好反映上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

3、變形、內(nèi)力及配筋計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.1變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

廠房整體在各恒荷載、風(fēng)荷載及SL-1地震作用下的最大變形及最大等效應(yīng)力詳見(jiàn)表1。

從表1的計(jì)算結(jié)果和各荷載工況下廠房整體變形和等效應(yīng)力云圖可知三個(gè)地基模型下廠房整體在恒載、風(fēng)荷載及地震荷載作用下的變形及等效應(yīng)力分布趨勢(shì)相同，只是最大值不同。模型一將底部筏板固結(jié)，計(jì)算出的變形值最小，恒載作用下計(jì)算出的等效應(yīng)力值最大，風(fēng)荷載和地震作用下計(jì)算出的等效應(yīng)力值最?。荒Ｐ腿紤]了廠房下地基巖土的擺動(dòng)剛度，計(jì)算出的變形值小于模型二但大于模型一，計(jì)算出的等效應(yīng)力值小于模型二。各墻板構(gòu)件在各荷載作用下的變形及等效應(yīng)力分布趨勢(shì)及規(guī)律同廠房整體。

3.2配筋計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

利用計(jì)算得到各荷載工況的單元內(nèi)力進(jìn)行相應(yīng)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(gòu)件的計(jì)算配筋面積及最大配筋面積云圖，據(jù)此可繪制各構(gòu)件的施工圖。廠房局部墻板計(jì)算得到的最大單元配筋詳見(jiàn)表1，其余墻板在三種地基模型下具有相同的變化規(guī)律。

由表1以及對(duì)該廠房其他構(gòu)件的配筋計(jì)算結(jié)果比較分析可知，模型二、模型三對(duì)應(yīng)的墻板構(gòu)件的計(jì)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(dòng)剛度。模型一在廠房底部墻板配筋計(jì)算值均大于模型二、模型三，這是由于模型一將筏板固結(jié)，未考慮地基土與上部結(jié)構(gòu)的相互作用。

結(jié)論：

通過(guò)上述計(jì)算分析研究可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1.三種地基模型下廠房整體模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果接近，均能較好反映上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

2.各荷載工況作用下三種地基模型對(duì)應(yīng)的廠房整體變形及內(nèi)力分布趨勢(shì)相同，由于各地基模型考慮地基土的作用不同使計(jì)算結(jié)果值不相同，但差別不大。

3.模型二與模型三對(duì)應(yīng)的廠房各構(gòu)件計(jì)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。