© 2013由Elsevier B.V.发布。由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 7（2014）26 - 312013第二届AASRI电力与能源系统摩擦阻尼隔震核电站地震反应分析秦川，刘文光 *，何文富上海大学土木工程系，上海市延长路149号，邮编200072。中国摘要提出了一种用于核电站隔震的新型摩擦阻尼器隔震系统。采用有限元方法，建立了具有代表性的核电站多质点模型，完成了核电站的地震反应分析。时域分析结果表明，FDIS隔震结构在小震作用下的反应与固定结构相当，在大震作用下表现出与常规隔震结构相似的特性。摩擦阻尼器的屈服力是影响新型隔震结构在地震输入能量作用下的反应和耗能的重要参数之一。与不同屈服水平的情况相比，屈服力越大，上部结构的反应越大，隔震层的位移越小。提出的新的隔震系统可能有利于提高隔震核电站的地震安全性。© 2014由Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所关键词：核电站;隔震;摩擦阻尼器;时域分析1. 介绍隔震是地震工程中的一项重大发展，正在迅速获得世界范围的认可[1]。隔震技术作为一种成熟的技术，在世界范围内得到了广泛的应用超过* 通讯作者。联系电话：电话：021 -56332390电子邮箱：liuwg@aliyun.com。2212-6716 © 2014由Elsevier B.诉 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.05.024Chuan Qin等/ AASRI Procedia 7（2014）2627G我10，000个应用程序不仅保护民用建筑，还保护桥梁和工业建筑[2]。隔震技术的主要目的是将上部结构与支承地面分离，以减少地震运动向上部结构的传递。它可以使结构的基频偏离地震地面运动的主频率，也可以提供额外的阻尼来耗散地震能量。为了验证其可行性和有效性，对隔震系统和支座进行了大量的试验和仿真研究。作为一种重要的工业建筑，核电站结构的任何破坏都将导致严重的灾难。与传统的核电站设计不同，隔震技术被认为是最有前途的核反应堆抗震技术。在日本进行的几项研究表明，如果不采用地震隔离，就不可能在高地震活动性地区设计出经济的大型电厂[3]。尽管如此，到目前为止，只有两个商业运行的核电厂受到隔离保护：法国Cruas的4个PWR（压水反应堆）和南非Koeberg的2个PWR [2]。近年来，人们对隔震的兴趣显著增加。主要的建筑公司、几所大学和政府机构正在进行核结构隔震的研究和开发。在独立的核电厂中，设备及其支架的设计和鉴定变得比以前更简单，抗震设计对首选设备布局的影响最小化。由于孤立核电厂的响应具有高度可预测性，因此可降低因地面运动不确定性而发生事故的风险，并增强内部设备保护[4]。此外，核电站的标准化设计与隔离系统可以比以前更容易。但是，在小震作用下，隔震上部结构与地面之间的相对运动很容易破坏穿过隔震层的关键服务网络和管道。隔震技术在核电站中的应用是一个重要的限制因素.本文提出了摩擦阻尼器隔震系统（FDIS）来减小上部结构的地震反应。介绍了一个具有代表性的核电站多质点模型，研究了FDIS的减震效果。2. 摩擦阻尼器隔震系统摩擦阻尼器隔震系统由摩擦阻尼器和普通橡胶支座组成。与常规隔震体系不同，小震作用下，摩擦阻尼器隔震体系上部结构通过摩擦阻尼器保持刚性连接，摩擦阻尼器具有较高的屈服力和初始刚度。在这种情况下，网络和管道在小地震下工作良好。在强震作用下，随着荷载水平的增加，摩擦阻尼器在隔震层水平剪力达到设计屈服力时开始滑动，从而耗散地震能量。当摩擦阻尼器滑动时，FDIS作为正常的隔震体系，有效地降低了上部结构的地震反应。在这种情况下，由于关键的核反应堆受到隔离系统的保护，穿越隔离层的管道的破坏已成为不重要的破坏。FDIS克服了常规隔震体系的局限性，在设计地震作用下保持上部结构与地面的刚性连接，避免了小震作用下隔震层位移过大而对关键管线造成的破坏。在地震激励xg（t）作用下，由摩擦阻尼器隔震系统支承的上部结构的运动控制方程可写成：M˙x˙Cx˙ K x˙x˙公司简介（一）s s gmex nbmexstecxbstecxsiBCxstecb Kxb0（二）第一章1G028Chuan Qin等/ AASRI Procedia 7（2014）2650.02m39.15m内结构30.00m1229.00米20.00m1119.15m9.875m1010.32米9 4.00m-0.585m2-4.50m其中[M]、[C]和[K]分别是上部结构01FdFd（三）其中F和Qd为FDIS的地震剪力和设计屈服力在小震作用下，剪力FQd，<$=0时，上部结构与地面保持刚性连接。在这种情况下，由FDIS支撑的隔震结构的控制方程与固定的控制方程相同，并且可以由等式1表示。当输入超设计地震时，摩擦阻尼器在剪力F3. 核电厂分析模型图1（a）显示了本研究中分析的标准化压水堆核电厂的多粒子模型。该模型由外部包容结构和内部结构两部分组成。两根棍子在结构上是独立的，只在底部连接。每个模型由代表NPP的连接元件支撑的多个刚性质量组成，其参数来自参考文献[5]。利用FDIS支持的多质点模型研究了核电站隔震结构的地震反应。本文采用SAP2000非线性分析软件对固定和隔震核电站进行了地震时程反应分析。核遏制87654核遏制32（一）1—10.00m常规NPPs模型孤立NPPs模型图1. 分析模型：（a）核电厂固定模型和隔震模型;（b）摩擦阻尼器隔震系统（FDIS）的可伸缩模型本文分析的摩擦阻尼器隔震系统由180个普通橡胶支座（GZP 1000，竖向刚度Kv=4.649×106kN/m，弹性刚度为1.815×106kN/m）和等量摩擦阻尼器组成，其力-位移特性为装配式FDIS提供了一种额外的耗能手段，如图1（b）所示。在分析中，普通橡胶支座被模拟为线弹性元件。对于摩擦阻尼器，其第一斜率刚度K1如表2所示，第二斜率（屈服后）刚度K2=0。FDIS的力-位移特性为双线性滞回模型，当剪力F小于Qd时，第一斜率刚度等于K1+Kh，可提供必要的刚性连接。为了研究各种摩擦阻尼器隔震系统的性能，制备了三个模型，屈服力Qd分别为支撑总重量W的3%、6%和12%（如表1所示）。对固定核电站（简称UNISO）的地震反应进行了分析，并与隔震核电站进行了比较。8 51.02m740.15m内结构631.00m1230.00米521.00m1120.15m41011.32米10.875m9 5.00m30.415平方米2-3.50m1-9.00mChuan Qin等/ AASRI Procedia 7（2014）2629表1摩擦阻尼器案例一“根据中国《核电厂抗震设计规范》（GB 50267-97）[6]，根据标准反应谱提出了7种人工地震波。从ART1到ART7共命名了7个人工波，它们与标准响应谱的拟合良好，如图2所示765432100 5 10 15 20 25 30 35频率（Hz）图2人工和标准响应谱在上述规范中，核电厂的地震反应分析通常要求采用运行基准地震（OBE）和安全基准地震（SSE），SSE的最大加速度不小于0.15g。为了研究隔震模型的地震反应，进行了四种烈度荷载水平（加速度幅值为0.05g，0.10g，0.20g和0.40g）的地震模拟。4.2 加速度分析结果。图3显示了节点8和12的平均峰值加速度，分别是核安全壳和内部结构的顶部。当Qd/W分别为3%、6%和12%时，加速度响应明显增大。随着输入地震水平的增加，各工况的加速度响应均增大，固定式核电厂的加速度响应明显大于其它工况。在0.05g地震作用下，3%、6%和12%工况的加速度峰值平均值仅为固定工况的14.0%、22.4%和37.0%。在0.40g地震输入下，这一比例分别为6.5%、8.0%和14.5%。从图3（b）中的响应比较中可以看到相同的趋势。14121086420（一）0.05克0.10克0.20克0.40克负载水平14121086420（b）第（1）款0.05克0.10克0.20克0.40克负载水平图3在0.05g、0.10g、0.20g和0.40g不同地震水平下的平均峰值加速度值：（a）核安全壳顶部峰值加速度;（b）内部结构顶部峰值加速度标准反应谱第1页第2页第3页第4页第5页第6页第7页核安全壳百分之三占6%百分之十二内部结构百分之三占6%百分之十二UNISO加速度（g）加速度（m/s2）屈服比Qd/W百分之三占6%百分之十二Qd/（kN）80160320K1×106/（N/m）1632644. 地震反应分析加速度（m/s2）30Chuan Qin等/ AASRI Procedia 7（2014）26内部结构核遏制内部结构ART1-0.40gART4-0.05g百分之十二占50403020100-10核遏制百分之三占6%百分之十二UNISO02468 103020100-10百分之三占6%百分之十二UNISO02468 1050403020100-100百分之三占6%百分之十二UNISO2468 103020100-10百分之三占6%百分之十二UNISO02468 10（一）5040302010加速度（m/s2）核遏制百分之三占6%加速度（m/s2）3020内10结构百分之三06%（b）第（1）款5040302010加速度（m/s2）核遏制百分之三占6%加速度（m/s2）3020内10结构百分之三06%0-100百分之十二UNISO246810-100百分之十二UNISO2468 100-100百分之十二UNISO5101520-100百分之十二UNISO5101520（c）第（1）款加速度（m/s2）加速度（m/s2）（d）其他事项加速度（m/s2）加速度（m/s2）图4核电站隔震与非隔震加速度响应对比：（a）0.05g地震输入;（a）0.10g地震输入;（a）0.20g地震输入;（a）0.40g地震输入;图4显示了不同地震级别下四种情况的平均层加速度。在0.05g地震输入下，12%的壳体隔震位移小于5mm，摩擦阻尼器仍保持刚性。在这种情况下，节点1、2和3的峰值加速度等于情况UNISO的值。随着屈服力从80 kN增加到320 kN，上部结构所受的地震动也相应增加，上部结构的反应更接近于固定反应。摩擦阻尼器在0.40g的强震输入下滑动，耗散地震能量。图4（d）显示了FDIS对安全壳和内部结构的出色隔离效果。0.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6(a) 00.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6(c)010时间2010时间202.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.030（b） 0 102.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.5-2.030（d） 10百分之十二占6%百分之三时间20 30时间20 30图5核安全壳顶部加速度历史：（a）0.05g ART 1地震输入;（b）0.40g ART 1地震输入;（c）0.05g ART 4地震输入;（d）0.40g ART 4地震输入;图5给出了ART 1和ART 4波作用下顶部核安全壳的加速度时程。结果表明，峰值加速度随屈服力的增大而增大，在ART1和ART4工况下，当屈服力为12%时，峰值加速度的放大系数分别为118%和130%。在这种情况下，摩擦阻尼器在0.40g输入下滑动。加速度响应分别降低到输入值的53%和44.5%，隔振效果显著。表2隔震层平均位移（mm）Qd/W百分之三0.05g8.600.10g17.170.20g40.370.40g99.91占6%6.5411.8927.2567.3912% 4.89 11.20 21.36 47.91ART1-0.05g百分之十二占ART4-0.40g百分之十二占加速度（m/s2）加速度（m/s2）高度（m）高度（m）高度（m）高度（m）高度（m）高度（m）加速度（m/s2）加速度（m/s2）高度（m）高度（m）Chuan Qin等/ AASRI Procedia 7（2014）2631在上述加速度分析中，摩擦阻尼器保持刚性时，上部结构的反应大于小震输入值，振动特性与固定结构相似。在强震作用下，摩擦阻尼器在地震波输入时发生滑动，摩擦阻尼器隔震结构的振动特性与普通隔震结构相似。4.3 隔震位移分析结果。七种人工波浪作用下的平均隔震位移见表2。观察到位移随着屈服力的增加而减小。在12%的情况下，摩擦阻尼器隔震系统在0.05g地震输入下保持刚性，隔震层位移小于5mm（摩擦阻尼器的屈服位移）。随着输入地震力的增加，摩擦阻尼器发生滑动，隔震层位移相应增加。在0.40g地震输入下，最大位移为99.91mm，仍远小于普通隔震结构。5. 总结本文提出了一种新的核电站摩擦阻尼器隔振系统。这种新型的隔震系统有效地减小了隔震位移过大的问题，从而限制了隔震技术在核电站中的应用。有限元分析结果验证了该系统的有效性，并研究了摩擦阻尼器对核电站隔震结构地震反应的影响。可以得出以下一些有意义的结论：1.在不同荷载水平下，上部结构的加速度随屈服力的增大而增大。在0.05g输入下，上部结构保持刚性的振动特性接近于固定的振动特性。2.采用F.最大位移值一般随FDIS屈服力的增大而减小。在0.05g地震输入下，隔震位移小于5mm，隔震结构仍保持刚性。3.在不同的荷载水平下，摩擦阻尼器随着隔震层的剪力滑动，达到设计屈服力后，成为耗能输入。确认作者在此对国家自然科学基金（51278291、51308331）和上海大学创新基金（2011）的资助表示感谢。引用[1] Aiken ID，Kelly JM，Tajirian F.低形状系数弹性隔震支座的力学。地震工程研究中心。UCB/EERC-89/13，加州大学伯克利分校，1989年。[2] 福尔尼湾核电站的地震隔离，意大利在日本2011年：科学，技术和创新。[3] 王晓刚，王晓刚，等.先进核电站的隔震设计.北京：中国建筑工程出版社，2001.地震频谱1990;6（2）：371-401.[4] C.普利雄河Gueraud，M. H. Richli和J.F. Casagrande，“核电厂抗震保护”，核技术;（美国），第49卷，1980年。[5] 李忠贤、李忠成、沈王侠。核反应堆厂房楼板反应谱的灵敏度分析[J].核动力工程2005，26（1）：44-50.[6] GB 50267-97《核电厂抗震设计规范》，北京，中国建筑工业出版社，1997。
