核电厂房结构抗震性能的数值模拟与振动台试验

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2011年日本东北海域大地震造成福岛第一核电站发生核泄漏事故后,德国作出了到2022年前分批关闭所有核电站的决定,但美、英、法、俄等仍表示将继续支持核能发展,而我国在确保安全的基础上高效发展核电的方针则未有改变。确保核电工程结构的抗震能力是保障核电安全的关键之一,鉴于此,本文对某核电厂房结构的抗震性能、三维基础隔震、结构-设备的动力相互作用等问题进行了有限元数值模拟和地震模拟振动台试验研究,主要的研究工作和成果包括如下几点。  (1)核电厂房结构地震反应的有限元数值模拟  利用SAP2000有限元软件对核电厂房结构建立三维实体模型,并对结构进行模态分析、设计基准地震动下与超设计基准地震动下采用反应谱法和时程法的抗震分析。通过分析验证了核电厂房结构在地震作用下的安全性。  (2)核电厂房结构三维基础隔震的设计与研究  对核电厂房结构的三维实体有限元模型进行三维基础隔震设计,首先进行设计基准地震动下的时程分析,验证了三维基础隔震后的水平和竖向减震效果明显,有效减小了上部结构的地震反应,对核电厂房结构的整体抗震性和内部核设备的安全性显著提高;其次对超设计基准地震动下的隔震层进行分析,验证了隔震支座的耗能、刚度、位移等均满足控制目标,说明隔震支座的选型和布置方案具有可行性和安全性,可为此类高温气冷堆核电厂房结构的三维基础隔震技术提供借鉴。  (3)核电厂房结构与设备动力相互作用的研究  通过对核电厂房结构的有限元模型中建立实体设备,进行结构与设备动力相互作用的分析,结果表明:设备的平动和扭转减少了结构的扭转效应,对结构的刚心与质心重合起到有利影响;设计基准地震动作用下的动力响应结果比不考虑结构与设备动力相互作用时减小,说明设备提供了一定的侧向刚度,对结构的地震反应产生了有利影响。  (4)核电厂房结构的楼层反应谱  楼层反应谱是核电厂房结构和设备抗震设计的主要依据,故对设计基准地震动下、三维基础隔震后、结构与设备动力相互作用这三种情况计算楼层反应谱,结果表明:在设计基准地震动下,由于结构与设备自振周期较接近,二者易产生共振效应,使得反应谱最大加速度峰值较大;三维基础隔震后,楼层反应谱最大加速度峰值明显减小,且峰值出现的周期延长,提高了设备及管路在水平地震动下的安全性;考虑结构与设备动力相互作用后,楼层反应谱最大加速度峰值减小,谱形变宽,部分最大加速度峰值出现的周期改变,提高了水平地震动下的安全性。  (5)核电厂房结构与设备动力相互作用的简化分析模型  通过对核电厂房结构中的反应堆采用层间剪切模型进行简化,对设备重量等效荷载、设备简化为梁单元、设备简化为两个等质量质点三种模型进行分析,验证了简化分析模型的准确性,并将两个等质量质点的简化分析模型进行动力方程推导,最终得出主子结构质量比与放大系数的关系式,通过本工程实际参数验证了推导结果的正确性。  (6)核电厂房结构的基础隔震振动台试验  对核电厂房结构进行1∶20缩尺的基础隔震振动台试验,通过结构动力特性、加速度、位移的试验结果分析,结果表明:隔震后上部结构减震效果明显,仍处于弹性状态,提高了结构的抗震裕度,验证了核电厂房结构采用隔震技术后的可行性。
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