筒體-環(huán)形組合建筑結(jié)構(gòu)安全措施效果研究

渠亞卿, 任文靜, 邱大鵬

(1. 濟(jì)寧市安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心, 山東 濟(jì)寧 272000; 2. 濟(jì)南職業(yè)學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250000;3. 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房作為筒體-環(huán)形組合建筑結(jié)構(gòu)的典型代表,其構(gòu)造、設(shè)備配置和工藝流程都很復(fù)雜,從而導(dǎo)致對其結(jié)構(gòu)的安全性要求極高。地震的發(fā)生難以預(yù)測,隨機(jī)性很強(qiáng),而且很多抗震的需求已經(jīng)超過了結(jié)構(gòu)自身抗力,因此AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房在超越預(yù)估的大震作用下很有可能發(fā)生不同程度的破壞,引起十分嚴(yán)重的后果[1]。2011年日本福島地震時(shí),女川筒體-環(huán)形組合廠房2號記錄到豎向與水平向PGA分別是0.4g與0.62g,大約是設(shè)計(jì)地震PGA的兩倍,因此,AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房可能遭受超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震動(dòng)而引發(fā)核事故的問題得到了關(guān)注,其抗震安全性能的評估從過去極限安全地震下的校核發(fā)展到考慮核電廠房的極限抗震能力及不同性能指標(biāo)下的易損性。AP1000廠房一般會(huì)選擇在地質(zhì)條件較好的硬巖地基上建設(shè),但優(yōu)良地質(zhì)條件的場地有限,而所需核電廠房數(shù)量日益增加,供需失衡逐漸加劇,因此有必要在其他地質(zhì)條件下建設(shè)該類型廠房[2]。

隨著南非、法國等幾座核島廠房基礎(chǔ)隔震措施的采用,針對核島廠房采用基礎(chǔ)隔震的研究也得到了重視。由于地震地質(zhì)條件的復(fù)雜性和認(rèn)知的不足,核電廠房場址可能處于近斷層區(qū)域,比如Diablo Canyon筒體-環(huán)形組合廠房建成后發(fā)現(xiàn)其下方有斷層存在。Northridge地震、Chi-Chi地震、汶川地震等都表明[3-4],近斷層區(qū)域內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)相對遠(yuǎn)場區(qū)域內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)的破壞程度顯著增大。當(dāng)今,在油氣管道、重力壩、高層建筑、橋梁中開展有關(guān)近斷層地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)安全性影響的課題研究較多,例如,Zhao等[5]、Aquelet等[6]和Zhang等[7]采用實(shí)驗(yàn)、仿真模擬和解析等手段,針對近斷層地震下結(jié)構(gòu)損傷與加固改造等相關(guān)問題進(jìn)行了探索,Ksrim等[8]、Choi等[9]、侯鋼領(lǐng)等[10]研究了地震作用下屏蔽廠房、附屬廠房損傷概率,但都是針對遠(yuǎn)場地震下硬巖場地的傳統(tǒng)AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房的研究,目前針對非基巖近斷層場址條件下AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房隔震措施的有效性還未深入研究。風(fēng)險(xiǎn)概率評估(Probabilistic Assessment of Risk,PRA)對評價(jià)重要建(構(gòu))筑物建設(shè)運(yùn)行可行性具有重要參考價(jià)值,而地震損傷研究是PRA中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),PRA的合理性已得到國際原子能機(jī)構(gòu)、核管會(huì)等的論證和認(rèn)可,建筑結(jié)構(gòu)易損性分析是研究其抗震性能的重要方法,也是評估震后損失的重要依據(jù)[11]。綜上所述,本文針對AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房的基礎(chǔ)隔震措施,首次對其抗震性能指標(biāo)的劃分進(jìn)行了探討,并根據(jù)該指標(biāo)分別基于增量動(dòng)力分析(Incretmental Dynamic Analysis,IDA)和多樣條分析(Multiple Striple Analysis,MSA)方法得到的易損性曲線,研究了近場地震動(dòng)下基礎(chǔ)隔震的隔震效果及其建立的可行性,并與遠(yuǎn)場地震動(dòng)作用進(jìn)行了比較;同時(shí)為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實(shí)性,設(shè)置了水平位移限制器并建立了土體無限元模型,以防止隔震裝置發(fā)生破壞以及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)之間發(fā)生撞擊和倒塌[12],分析結(jié)果表明,兩種方法得到的結(jié)果基本上一致,進(jìn)一步證明了結(jié)果的合理性,隔震廠房能有效降低結(jié)構(gòu)損傷,且安全儲備系數(shù)滿足要求,因此其具有在硬土地基條件下近場區(qū)域里建設(shè)的可行性。

1 增量動(dòng)力分析(IDA)和多樣條分析(MSA)

采用增量動(dòng)力分析法(IDA)和多樣條分析法(MSA)來研究結(jié)構(gòu)的易損性。為保守起見,取兩種方法獲得損傷概率的較大值為最終損傷概率。

1.1 易損性分析的IDA方法

損傷概率可用如下公式表示:

(1)

式中:Pf為損傷概率;Dd為地震需求;Dc為結(jié)構(gòu)抗力;IM為地震強(qiáng)度,在這里為峰值加速度。

假定地震需求Dd服從正態(tài)對數(shù)分布[13],即lnDd～N(ulnR,σlnR),則Dd均值和方差分別為:

(2)

(3)

地震需求Dd的對數(shù)均值ulnR和對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σlnR分別為:

(4)

(5)

由式(2)和(3)可推導(dǎo)出式(4)和(5)。

(6)

式中:σR表示地震需求的標(biāo)準(zhǔn)差;uR為地震需求的均值;δR表示變異系數(shù)。

最終各等級的損傷概率Pf為:

(7)

1.2 易損性分析的MSA方法

各等級損傷概率通過正態(tài)對數(shù)函數(shù)來表示[14]:

(8)

式中:IM為強(qiáng)度指標(biāo),在這里其為峰值加速度;β、θ分別是lnIM標(biāo)準(zhǔn)差和上述函數(shù)的中位數(shù)。

假定每次地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)損傷情況互不干擾,即Zj～B(nj,Pj)。當(dāng)IM=xj時(shí),zj條地震動(dòng)下筒體-環(huán)形組合廠房發(fā)生損傷的概率是:

(9)

式中:nj、zj、xj及Pf分別為地震動(dòng)總量、發(fā)生損傷的地震動(dòng)數(shù)量、地震動(dòng)強(qiáng)度及每次地震下結(jié)構(gòu)損傷概率。把所有Pf連乘即為似然估計(jì)函數(shù):

(10)

式中:m是IM個(gè)數(shù)。將式(5)代入式(7)得:

likelihood=

(11)

根據(jù)式(11)得到θ、β的最大似然估計(jì)是:

(12)

2 AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房參數(shù)及性能指標(biāo)

2.1 實(shí)物模型的建立

AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房長×寬×高為76.8 m×34.9 m×82.98 m,土體長×寬×高為279 m×181 m×78 m。結(jié)構(gòu)混凝土采用塑性損傷本構(gòu)模型,混凝土密度2 400 kg/m3、彈性模量35 GPa、泊松比為0.167、抗壓強(qiáng)度為35 MPa、抗拉強(qiáng)度為2 MPa,斷裂能為200 N/m。鋼筋采用理想彈塑性本構(gòu)模型,密度7 850 kg/m3、彈性模量200 GPa、泊松比為0.3、配筋率為1%,類型為HRB400。管道和內(nèi)部反應(yīng)器采用殼單元與質(zhì)量單元模擬,梁、柱構(gòu)件采用梁單元模擬,樓板、墻體選用殼單元模擬。重力水箱水位含水率為80%的標(biāo)準(zhǔn)水位。由于B31(鐵木辛科梁)考濾了剪切變形的影響,適合模擬深梁和細(xì)長梁,因此選用該單元模擬柱梁構(gòu)件,利用*rebar命令將鋼筋插入梁柱單元內(nèi)。由于S4R殼單元具有適用范圍廣、計(jì)算效率高和考慮剪切變形影響等特點(diǎn),多被用于模擬多層復(fù)合材料,因此選用該單元模擬墻體、樓板和筒體結(jié)構(gòu)。土體密度2 000 kg/m3、彈性模量1 350 MPa、泊松比為0.35,剪切波速為500 m/s。地基外邊界設(shè)置無限元反映無限地基輻射阻尼作用,當(dāng)從結(jié)構(gòu)反射回來的波到達(dá)無限元表面時(shí)可自動(dòng)透射,在底部無限元與有限元結(jié)合部輸入地震波。

根據(jù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和設(shè)計(jì)頻率,本文經(jīng)計(jì)算選擇387個(gè)GZY1100型隔震裝置,每個(gè)裝置等效剛度4 613 kN/m,等效阻尼比27.2%,屈服力376.8 kN,承受的豎向壓力為5 608 kN,遠(yuǎn)小于裝置基準(zhǔn)豎向承載力9 503 kN。采用非線性彈簧與黏滯阻尼器的組合形式來模擬隔震裝置,通過非線性彈簧阻尼器單元模擬水平位移限制器,保證隔震裝置位移符合建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。圖1為利用Abaqus軟件構(gòu)建的3D網(wǎng)格單元模型。

圖1 3D網(wǎng)格單元模型的建立Fig.1 Establishment of 3D mesh element model

2.2 AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房損傷等級的劃分

在非線性分析時(shí),采用材料應(yīng)變作為損傷指標(biāo)可以在地震反應(yīng)分析中直觀地描述其進(jìn)入彈塑性階段的損傷狀態(tài)[15]。因此,鋼筋、混凝土應(yīng)變?yōu)楸疚暮饬繐p傷的物理量,為此確定了如表1所列的四個(gè)損傷指標(biāo)臨界值。

表1 損傷指標(biāo)臨界值與損傷等級對應(yīng)關(guān)系

3 AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房損傷分析

3.1 地震動(dòng)記錄的選取

根據(jù)美國ATC-63[22]研究成果,分別選取了硬土場地上15組遠(yuǎn)場地震波和14組脈沖型近斷層地震波,調(diào)制成0.2g到2.0g,步長0.2g的300組三向遠(yuǎn)場地震與280組三向近場地震,對有無隔震裝置的筒體-環(huán)形組合廠房損傷進(jìn)行研究。地震動(dòng)從模型外邊界以波動(dòng)法輸入。

3.2 近場地震下AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房計(jì)算結(jié)果分析

圖2為廠房混凝土最大壓應(yīng)變。在遠(yuǎn)場地震下,有隔震裝置廠房地震反應(yīng)低于無隔震裝置廠房,隔震措施可以起到理想的效果;近場地震下,當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度小于1.2倍重力加速度時(shí),隔震廠房最大應(yīng)變明顯小于無隔震廠房,但隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的升高,兩種建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)差距變小。

圖2 有無隔震裝置筒體-環(huán)形組合廠房數(shù)據(jù)點(diǎn)Fig.2 Damage data points of tube-ring hybrid workshop with and without isolation device

相比遠(yuǎn)場地震,近場地震廠房的地震反應(yīng)更大。這是因?yàn)榻鼒龅卣鸷兴俣让}沖,使得它在地震初期向結(jié)構(gòu)輸入較大的能量,從而產(chǎn)生較大破壞。

圖3為近場地震下筒體-環(huán)形組合廠房損傷概率。從圖中能看出,近場地震下,隨著峰值加速度升高,兩種筒體-環(huán)形組合廠房的混凝土和鋼筋輕微損傷基本上同步發(fā)生,而對于其他損傷等級而言,混凝土明顯早于鋼筋產(chǎn)生。整體上,混凝土損傷概率比鋼筋要高,因此混凝土損傷概率就是整個(gè)廠房的損傷概率。

圖3 近場地震下筒體-環(huán)形組合廠房損傷概率Fig.3 Damage probability of tube-ring hybrid workshop under near-field earthquake

圖4為有無隔震裝置的筒體-環(huán)形組合廠房的損傷概率。從中能發(fā)現(xiàn),在0.2～2倍重力加速度區(qū)間內(nèi),近場地震作用下筒體-環(huán)形組合廠房損傷概率明顯大于遠(yuǎn)場地震損傷概率。在遠(yuǎn)場地震作用下,除了倒塌損傷等級情況下隔震效果不明顯,其他所有情況下隔震裝置顯著削弱了該結(jié)構(gòu)的損傷;但是在近場地震作用下,8度罕遇地震下,隔震廠房相比非隔震廠房輕微破壞概率的降低幅度可達(dá)到6.6%;9度罕遇地震動(dòng)下,隔震廠房輕微、中等破壞概率降幅分別為11.2%、3.9%;當(dāng)PGA為0.8g時(shí),隔震廠房輕微、中等、嚴(yán)重破壞概率降幅分別為7.2%、17.9%、2.5%。,但隔震效果遠(yuǎn)不如遠(yuǎn)場地震動(dòng)顯著,這是因?yàn)榈卣饛?qiáng)度超過1.2g后,廠房和水平位移限制器產(chǎn)生軟碰撞,對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力,以及近場地震本身具有方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)等特點(diǎn),使得隔震效果降低。

圖4 有無隔震裝置筒體-環(huán)形組合廠房損傷曲線Fig.4 Damage curves of tube-ring hybrid workshop with and without isolation device

圖5表示廠房在遠(yuǎn)場與近場地震下的損傷概率。從圖中可以得出,近場地震下無隔震裝置結(jié)構(gòu)的損傷概率高于遠(yuǎn)場地震下結(jié)構(gòu)損傷概率,相差幅度隨著峰值加速度升高先增大后減小,最大相差幅度隨性能指標(biāo)的升級而增大;有隔震裝置結(jié)構(gòu)近場地震的損傷概率相比遠(yuǎn)場地震的增幅遠(yuǎn)大于無隔震裝置結(jié)構(gòu),隔震裝置加劇了近、遠(yuǎn)場地震下易損性之間的差距,這主要是因?yàn)楦粽鸫胧τ谶h(yuǎn)場地震動(dòng)作用效果明顯,其大大降低了遠(yuǎn)場地震動(dòng)作用下的易損性,而隔震裝置對于近場地震的作用效果不如遠(yuǎn)場地震顯著。

圖5 筒體-環(huán)形組合廠房在近場與遠(yuǎn)場地震下的損傷曲線Fig.5 Comparison between damage curves of tube-ring hybrid workshop under near-field and far-field earthquakes

對于8度罕遇地震動(dòng),近、遠(yuǎn)場地震下隔震廠房輕微破壞概率分別為9.4%和0.7%;非隔震廠房輕微破壞概率分別為16.0%和3.9%。對于9度罕遇地震,近、遠(yuǎn)場地震下隔震廠房輕微破壞概率分別為57.2%和10.5%,中等破壞概率分別為1.2%和0.043%;非隔震廠房輕微破壞概率分別為68.4%和38.7%,中等破壞概率分別為5.1%和2.1%。

3.3 筒體-環(huán)形組合廠房倒塌損傷安全度分析

根據(jù)ATC-63[22],以結(jié)構(gòu)第四等級損傷安全度(即倒塌損傷安全度)來衡量結(jié)構(gòu)抗倒塌能力,公式為:

(10)

式中:DSL4、IM50%和IMMCE分別表示第四等級損傷安全度、50%概率發(fā)生第四等級損傷的峰值加速度和大震水準(zhǔn)下的峰值加速度。

基于S-D準(zhǔn)則和DM準(zhǔn)則[23],得到Ncollapse/Ntotal(其中:Ntotal和Ncollapse分別為地震波總量和發(fā)生倒塌損傷的地震波數(shù))。倒塌損傷概率為易損性方法計(jì)算結(jié)果與該比值的較大值。

圖6表示近場和遠(yuǎn)場地震動(dòng)下核島廠房倒塌概率曲線。由圖6和式(10)可以得出:

圖6 筒體-環(huán)形組合廠房倒塌損傷曲線Fig.6 Collapse damage curve of tube-ring hybrid workshop

對于遠(yuǎn)場地震,8度設(shè)防烈度下無隔震裝置筒體-環(huán)形組合廠房DSL4是4.80,有隔震裝置結(jié)構(gòu)略微高于4.8,9度設(shè)防烈度下有無隔震裝置筒體-環(huán)形組合廠房DSL4分別是3.17與3.12;對于近場地震,8度設(shè)防烈度下有無隔震裝置廠房DSL4分別是3.57與3.76,9度設(shè)防烈度下有無隔震裝置廠房DSL4分別是2.29與2.44。

9度設(shè)防烈度下,對于無隔震裝置廠房,近場地震下其倒塌損傷安全度相比遠(yuǎn)場地震下降了21.8%;對于有隔震裝置廠房則下降了27.8%。無論在何種地震動(dòng)作用下,其DSL4都大于ATC-63[18]規(guī)定的最小臨限值2.25。

4 結(jié)論

本文采用兩種分析方法對有無隔震裝置筒體-環(huán)形組合廠房進(jìn)行了地震損傷研究。結(jié)論如下:

(1) 近場地震下AP1000堆型廠房的損傷明顯高于遠(yuǎn)場地震下的的損傷。

(2) 結(jié)構(gòu)混凝土和鋼筋的輕微損傷概率幾乎相同,其他損傷等級概率混凝土明顯大于鋼筋,因此混凝土損傷指標(biāo)代表整個(gè)結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài),在結(jié)構(gòu)破壞中占主導(dǎo)地位。

(3) 對于近場地震,基礎(chǔ)隔震措施可有效降低AP1000堆型筒體-環(huán)形組合廠房的損傷,但降低程度要明顯低于遠(yuǎn)場地震。

(4) 近場地震動(dòng)下,有無隔震裝置廠房第四等級損傷安全度都大于ATC-63規(guī)定的最小臨界限值,并且在目前已知最大地震動(dòng)強(qiáng)度范圍內(nèi)(0.96g)隔震廠房損傷概率顯著小于無隔震廠房,具有較好的抗震性能,因此隔震廠房具有在硬土地基條件下近場區(qū)域里建設(shè)的可行性。