核电工程结构抗震设计研究综述Ⅱ

第４２卷第２ｌ期２０１１年１１月人民长江ＹａｈｇｔｚｅＲｉｖｅｒＶ０１．４２，Ｎｏ．２１Ｎｏｖ．，２０１１

文章编号：１００１—４１７９１２０１１）２１—０００１—０６

核电工程结构抗震设计研究综述（Ⅱ）

林皋（大连理工大学工程抗震研究所，辽宁大连１１６０２４）摘要：就核电站结构抗震设计中一些需要关注的问题提出了看法，主要包括：核岛地基的抗震适应性问题，主要考虑复杂非均质地基上结构一地基动力相互作用问题；讨论了三向地震作用下构件地震响应的组合问题；分析了乏燃料池、反应堆等存在固液耦合情况下的水动力作用，并分一般贮液容器、高架聍液容器、考虑地面转动、考虑竖向地震作用等情况分别作了介绍；研究了厂房子系统的抗震问题。主要是楼层谱受材料特性及地基参数不确定性影响的问题。上述内容可供从事核电站结构抗震的科研、设计人员参考。关键词：核电站；结构一地基动力相互作用；动水压力；楼层谱中图法分类号：Ｐ３１５．９文献标志码：Ａ

核电工程结构是一个复杂的力学体系，其抗震设计涉及的内容很多，在文献［１］中介绍各国核电工程抗震设防标准、比较各国核电工程抗震设计规范的基础上，下文仅就核电结构抗震设计中一些需要关注的特点提出笔者的一些看法。１核岛地基的抗震适应性核电厂地基一般选择坐落在坚实、稳定的基岩上。但是，良好、理想的厂址并不多见，特别在分期建设的情况下，有时不可避免地会遭遇复杂不均质的地基条件。例如，我国某一核电厂扩建工程开挖后，发现核岛地基中出现不连续分布的特殊地质体，其风化破碎程度显著高于两侧围岩；我国另一核电厂核岛地基开挖中发现强风化与中风化片麻岩捕虏体，其分布随深度发生不规则变化。核岛地基的抗震适应性成为需要解决的关键技术问题。求解复杂不均质地基对核电结构及设备地震响应的影响，涉及到求解结构与无限地基的动力相互作用问题。但是，目前比较广泛采用的结构一地基动力相互作用模型主要都建立在均质无限地基假定的基础上。例如，边界元或无穷边界元模型都主要按均质地基进行推导；透射边界模型主要建立在平面波传播的基础上，也只能适用于均质地基的条件。所以，需要研究复杂非均质地基上结构一地基动力相互作用的计算模型。Ｗｏｌｆ和Ｓｏｎｇ提出的比例边界有限元法（ＳｃａｌｅｄＢｏｕｎｄａｒｙＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｔｈｏｄ）

适于非均质非等向地基的动力相互作用分析；阻尼影响抽取法（Ｄａｍｐｉｎｇ—Ｓｏｌｖｅｎｔ—Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ—Ｍｅｔｈｏｄ）则可以较好地反映近场非均匀地基的影响。大连理工大学工程抗震研究所研究开发了这方面的相关程序。

２三向地震分量作用下构件的抗震设计核电结构一般承受３个方向（两水平方向和竖向）的地震作用，考虑到３个方向地震作用的峰值响应一般不在同一瞬时发生，通常采用平方和开方的方法进行组合，求得最大可能的响应。３ＲＦ＝±［∑尺＆］１尼（１）

ｆ＝１

式中，尺。为设计地震响应（可为应力、变形、轴力、剪力

或弯矩）；Ｒ：为由ｋ向地震分量作用产生的最大响应。某一构件，例如柱或者梁，在地震作用下的轴力，和弯矩肘也可用方程（１）的表达式进行组合。

收稿日期：２０１ｌ—０６—３０基金项目：中德合作研究项目（ＧＺ３６６）；国家自然科学基金委创新研究群体基金（５１１２１００５）；国家自然科学基金重点项目（５１１３８００１）作者简介：林皋，男，中国科学院院士，教授，主要从事地震工程及结构抗震方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｇａｏｌｉｎ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据２人民长江２０１１生ｔ＝±［罗一］∽（２）

角。

．——３Ｍ；＝±［ｙ肘：］Ⅳ２（３）

骨

式中，，；或肘ｊ均为３个方向分量Ｆ。或肘ｉｉ（．『＝１，…，３）的矢量组合。Ｆ；或肘。都各有８种可能的组合方式，则Ｅ和肘ｉ联合就有６４种组合方式。计算三维条件下结构某一点的应力或应变时，如果应力分布分别按各个方向地震分量作用进行计算，然后直接采用平方和开方的方法进行组合，将不能满足平衡条件。正确的做法是，假设各应力分量ｏｒ；，（ｉ＝１，…，３，＿『＝１，…，３）同时发生，各有两个可能的作用方向，则主应力应满足下列条件¨ｏ：ｓ。一（盯ｌｌ＋盯２２＋ＩＴ３３）。ｓ‘＋（矿１ｌｏｒ２２＋矿２２盯３３＋盯３３矿１１一盯２２３一盯３２ｌ一盯２１２）・ｓ一（盯ｌｌ盯２２矿３３＋２０＂１２ｔｌｒ２３矿３ｌ一矿１ｌ矿２２３一矿２２盯２１３一矿３３盯２１２）＝０（４）式中，ｓ２和ｓ项各有８种可能的组合方式，常数项有３２种组合方式。但不同幂次的ｓ各系数项中的盯；，（ｉ＝１—３，＿『＝１—３）的符号都应当协调，所以，实际上只可能有１６种组合情况。求得１６种组合中的最大应力组合后，设３个方向的主应力分别为Ｓ。，Ｓ：，Ｓ，，则最大剪应力可按如下方式组合。

下。＝±÷（ｓ：一Ｊｓ，）

下：＝±÷（ｓ，一ｓ。）（５）

ｆ，＝±÷（ｓ，一ｓ：）据此，剪应力可有４９种组合方式，其最大值选为设计值。当非线性等情况出现时，因为叠加原理不能满足，平方和开方的方式将不再适用。有的作者建议以下的两种组合方式，如表ｌ和表２所示，表中ｎ，，，，巴分别表示３个方向的地震荷载分量。

表１各分量地震荷载组合１

表２各分量地震荷载组合２在组合（１）中引入放大系数Ａ，代表两向荷载分量的综合值。有的研究者给出Ａ＝１．１６１８，美国核电设

计手册建议取Ａ＝１．２。对于多向地震分量作用，同时又承受组合力系作用的结构，ＡＳＣＥ４—９８规定了应力包络的方法阳］，可

只对若干控制工况进行分析。下面以Ｆ、Ｍ作用下柱的设计为例作简要说明。柱的应力按（６）式计算。

鲁±虿

２百±虿（６）式中，Ａ为横截面积；ｚ为截面模量。在ｘ、ｙ、ｚ三向地震分量作用下，Ｆ和Ｍ均按平方和开方的方法求其组合的最大值。Ｆ＝∥■耵

肘＝扣■霹了砑（７）由式（７），设计应力值盯。可表示为ｉ”２务２＋≥２＋笙ＡＺ（８）矿ｃ２矛＋孑＋一Ｌｂ’

式中，１７，２＝Ｆ：＋尸：＋Ｆ；；ｍ２＝ｍ：＋ｍ：＋ｍ；；ｆ２＝Ｆ。Ｍ，＋Ｆ，Ｍ，＋Ｆ：Ｍ：（９）由（６）、（８）式，矿达到设计值时（鲁±警）２＝紊２＋≥２±砑２１２（１０）

截面一定时，应力达到极值的条件为：ｍ２Ｆ２＋ｎ２Ｍ２—２１２ＦＭ＝ｍ２ｎ２一ｆ４（１Ｉ）

（１１）式表示应力达到极值的包络为一椭圆（图１）

Ｍ图１Ｆ、肘组合的包络线椭圆包含在Ｆ＝±，ｌ，Ｍ＝±ｍ的切线范围内，Ｆ和Ｍ的最大、最小值分别为±几和±ｍ，但，和肼的最大或最小值不可能同时发生，其极值工况可以椭圆的切１２１２，２，２点（ｎ，二）、（二，ｍ）、（一ｎ，一Ｌ）、（一Ｌ，一ｍ）加以表

ｎ，兀ｎｍ

示，从而柱可按这几种极限工况进行抗震设计。这种方法可以推广到Ｆ和Ｍ分别由若干振动模态的最大值和不同方向地震动分量作用的最大值等进行组合的情况。对于钢筋混凝土柱，受压区由混凝土控制，受拉区由钢筋控制，包络形状将会有所调整。

３水动力作用效应分析核电厂中的取水结构、乏燃料池以及反应堆中的

，小

万方数据第２ｌ期林皋：核电工程结构抗震设计研究综述（ＩＩ）３结构等都需要考虑地震时结构和流体动力相互作用的影响。这包括两方面的问题：贮液结构所承受的液体动压力；淹没或部分淹没于液体中结构与流体间产生的动力相互作用，两者既相互联系，又有所差别。关于贮液结构所承受的液体动压力（下文将简称动水压力，但泛指包括水在内的各种流体动压力），早期一般采用Ｈｏｕｓｎｅｒ的简化模型进行分析。假设贮液容器为刚性，只考虑容器内部液体的运动，并且只考虑水平向的地震作用。液体动压力分为两部分，一部分相当于附加液体质量，与贮液罐发生相同的运动，所产生的动压力称为脉冲动压力；另一部分由液面震荡产生，称为对流动压力。脉冲动压力与对流动压力的振动频率各不相同，后者的振动周期较长。为了计算作用于容器侧壁和底部的剪力和力矩，均可以将容器中的液体作用以等价的集中质量代替。脉冲动压力的等价质量眠刚性连接于器壁，对流动压力的等价质量肘。则以弹簧与器壁相连接（图２）。Ｍ。和Ｍ。的计算应区分深罐（Ｏｔ＞１．５）和浅罐（ａ≤１．５）的不同。ａ＝ｈ／Ｒ或ａ＝ｈ／Ｌ，式中Ｒ表示圆形罐的半径；Ｌ表示矩形罐边长的一半。深罐上部１．５Ｒ（或１．５Ｌ）的高度范围内与浅罐的作用相同，下部水体与罐产生相同运动。图２深罐与浅罐的计算模型高架贮液容器还要考虑底面转动产生的动水压力作用（图３）Ｈ１。设置于柔性地基上的贮液罐，由于罐与地基的动力相互作用，也要考虑底面转动产生的动水压力作用（图４）＂Ｊ。底面转动产生的动水压力沿罐高与罐底的分布与水平地震作用的情况是不相同的。图５对比了两种情况，随罐高与罐半径的比值不同而变化。脉冲动压力的周期较短，对流动压力的振动周期较长，两者的耦合影响比较小。计算地震引起的罐与地基动力相互作用的影响时，一般只需要考虑其对脉冲动压力的影响。竖向地震作用对贮液容器动压力的影响也不容忽视怕ｏ。图６表示竖向激励引起的刚性罐壁动压力沿罐高的分布。图中的无量纲量６为罐高日、半径口与壁厚ｈ的函数。竖向激励引起的脉冲动压力也可以用附加质量的模型加以模拟。

№Ｌ（２Ｒ＞一Ｔ※

＞｝＜＞｛＜＞Ｋ

等价息里Ｉ葺梁忏件Ｌ尘到ｌ

Ｉｂ

ｌ

哆切（ｃ）

图３高架贮液容器的计算模型

—————＋Ｑ（ｔ）＼，／Ｍ‘‘’

图４柔性地基贮液容器动压力的计算模型

（ｂ）鹿面转动作用下的脉冲动压力分布图５水平与转动作用下的脉冲动压力沿罐高与罐底的分布

丑盟Ｔｌ－：叫，＋Ｉ

丑

万方数据