考虑土壤结构相互作用的核反应堆厂房地震响应分析

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由于核电厂对于安全性的特殊要求,核电厂的抗震分析及设计标准和要求比普通民用设施更为严格。核电厂厂房本身具有刚度、重量都很大的特点,土壤-结构相互作用(SSI)会对建造于非基岩场地上的核电厂厂房地震响应产生影响,直接关系到反应堆的安全性。作为影响核电厂抗震性能的一个重要因素的土壤与结构的相互作用(SSI)成为核电厂抗震分析中的重要的问题。针对采用人工边界的有限元SSI分析方法开展研究。在通用目的的商用有限元软件中建立了耦合的土壤结构三维模型,通过构造人工边界实现对地震波在无限域内传播过程的模拟,并提出了一种在人工边界上施加地震输入的具体实现方法,使其可在通用软件中简单直接地施加。利用该有限元方法开展地震动力响应分析。通过对一个简化的核电厂房SSI地震响应的计算,验证了人工边界设置的正确性。并就计算域大小和形状、人工边界类型对计算结果的影响进行了对比,从而提出了采用人工边界方法进行核电厂厂房SSI有限元分析合理的建模方法及参数选择方法。人工边界采用设置简便的粘性边界,计算域在激励方向上的尺寸为结构尺寸的3倍左右,且计算域比例取2:1时能取得较精确计算效果。采用合理的模型及参数,对我国的10 MW高温气冷堆(HTR-10)在非基岩场地的SSI效应进行了再评估。计算得到了三向地震载荷下HTR-10厂房的楼层反应谱,针对SSI效应对厂房响应的影响进行了分析。在水平方向上,各楼层的反应谱谱型类似,SSI影响规律基本一致。在竖直方向上,结构的响应特点与楼板自身的竖向频率特性有明显关系,不同楼板的响应差别较大。针对印尼一处较软的厂址,对可能建立在其上的HTR-10厂房进行了SSI效应的分析,计算得到了三向地震载荷下HTR-10厂房在印尼厂址处的楼层反应谱。由于土壤特性会影响厂房的SSI地震响应,因此印尼厂址处HTR-10厂房的地震响应与我国北京厂址处的HTR-10厂房的地震响应会有所不同。本文对两种土质下HTR-10厂房SSI地震响应的差异进行了总结,并分析得到了引起地震响应差异的原因。软土模型的反应谱谱值在低频范围内略有增大,在中高频范围内减小。原因是土壤剪切波速和阻尼比的不同造成了地震响应的差异,且厂房在软土上由水平激励引发的摇摆运动会引起楼层竖向反应谱的变化。
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