强震下核岛结构多级隔震的动力性态与响应控制结题摘要

本项目进行了核电厂多级隔震体系的相关理论和试验等研究，具体研究内容和工作成果包括：①研发了一种新型多级隔震装置，并进行了力学性能试验研究，基于试验结果建立核岛多级隔震支座多级刚度模型。②进行了核电厂多级变刚度隔震理论研究及数值分析。建立核岛多级隔震结构的精细化分析模型。③完成核电厂核岛多级隔震结构的地震响应数值分析研究，研究不同地震峰值输入、远场、近场及频谱特性对上部结构地震响应、楼层反应谱、隔震层最大位移及竖向拉压情况的影响。④建立非平稳随机地震作用下核岛多级隔震结构的随机振动方程，对核岛多级隔震结构的非平稳随机地震响应进行分析。⑤进行了核电厂多级变阻尼隔震理论研究及数值分析。研发了一种新型变阻尼粘滞阻尼器，编制了变阻尼粘滞阻尼器减震结构的动力分析程序，进行了变阻尼减震结构的动力响应分析，提出了一种基于动力响应减震系数计算附加等效阻尼比的方法。⑥进行核电厂LRB1100/LRB1200支座基本及极限力学性能试验研究，系统研究了核电厂LRB1100/LRB1200支座的力学性能指标。⑦提出了一种适合铅芯橡胶隔震支座在大变形条件下的非线性硬化模型，采用数值分析方法研究了隔震支座在特大地震下进入硬化后核电厂结构的地震响应。⑧构建了考虑橡胶支座大变形硬化的多线性恢复力模型，并研究了不同地震峰值输入下传统双线性模型结构与大变形硬化模型结构的动力响应、弹塑性反应谱、结构塑性状态发展及结构塑性耗能情况。 2100433B

日本311地震造成了福岛第一核电厂严重核事故，引起全世界对核电安全的关注，在特大型地震作用下如何确保核电厂全系统工作安全已成为亟需解决的科学难题。核电厂结构对抗震具有严格要求，采用隔震技术后，地震发生时安全壳及内部设备的反应降低，抗震安全性提高，同时结构相对位移会显著增加，确保出入核岛的管线安全是关键环节。基于地震的不确定性，本项目以核电厂结构抗震性能为条件，以全系统包括结构、管线和内部设备的安全运营为目标，以AP1000系统为依托，开展核岛结构隔震分级控制研究。系统地开展从SL1、SL2到超SL2水准地震下核岛结构多级隔震的动力性态及响应控制研究，建立多级隔震临界条件的数学力学模型、分级隔震转换装置以及精细化分析模型；揭示多级隔震状态下的屏蔽厂房\钢安全壳\内部设备地震响应特征；提出核岛结构多级隔震的地震响应控制策略。本项目对拓宽核电厂的应用区域和在超设计地震下安全性具有重要的意义。

核能是人类社会的重要能源之一，发展核能也是我国能源建设的一项重要政策。特大地震或突发断层地震下如何确保核电厂结构及核岛内设备的安全性是当前亟待解决的重大课题。本项目旨在将传统核电厂抗震结构拓展至核电厂高性能隔震结构，重点研究核电厂核岛隔震结构在特大地震或突发断层特大地震下的并联多质点和空间模型的振动模态及多尺度动力模型；研究核电厂隔震结构核岛内部设备（含反应堆压力容器）的地震响应规律及其与核岛结构地震响应的耦合效应；研究核电厂隔震结构主体与非隔震辅体间含放射性物质管线的地震响应及其与核岛响应的耦合效应，并提出管线的安全性控制策略；研究拓展核电厂隔震结构的场地适用类型并提出相应的适用条件和原则等关键科学问题。由于核电厂结构安全的重要性和涉核抗震隔震关键技术方面的高度保密性，拥有自主知识产权的涵盖核电厂核岛-设备-管线的高性能隔震基础理论和技术将对保障我国核电厂结构的安全性具有重要的战略价值。

本项目研究了核电厂隔震支座和新型隔震体系的相关理论和试验等研究，具体研究内容和工作成果包括：①针对核电厂隔震结构地震动频谱特性，从美国太平洋地震工程中心PEER/NGA地震波数据库、美国工程强震记录数据中心及日本防灾科学技术研究所选取了远源长周期地震波，比较了中国、日本、美国、欧洲规范给出的阻尼系数与长周期地震动作用下的阻尼系数计算结果，提出了核电隔震结构地震动波谱法选波方法。②针对核电结构隔震设计目标，分别采用ANSYS和SAP2000软件建立了隔震单质点模型并且采用了4组三向地震波进行了非线性时程分析；采用ANSYS软件建立了AP1000核电结构隔震群支座杆模型，并且考虑了支座竖向拉压刚度不等及支座水平向大变化刚度硬化效应，更加真实的模拟了隔震层滞回曲线和上部结构响应。③针对LRB600支座进行了基本及极限力学性能试验，系统研究了支座的各项力学性能，根据LRB600支座的理论研究，给出了符合隔震要求的LRB1100和LRB1200支座参数，然后分别进行LRB1100和LRB1200支座基本及极限力学性能试验研究，重点研究支座的水平刚度、屈服力及竖向刚度基本力学性能、支座力学性能的水平剪应变相关性以及水平极限剪切性能。④在铅芯橡胶支座双线性模型的基础上，提出了一种基于屈服刚度和屈服力的硬化模型，该模型考虑了支座硬化后的刚度退化现象以及压应力对于卸载曲线的影响，将该模型与试验结果进行对比，对比结果表明两者吻合良好；采用数值分析对铅芯橡胶支座进行时程计算，并对核电厂隔震结构在不同等级地震波下铅芯橡胶支座的力学性能进行了评价。⑤以原型结构为AP1000核电厂隔震结构模型进行了拟动力试验，来验证隔震支座及结构抗震性能；通过拟动力试验研究了结构在中震和大震下的地震响应以及破坏模式，试验结果表明设计的橡胶隔震支座可以满足核电站隔震需求。⑥针对核电厂隔震结构进行了单向地震模拟大型振动台试验研究，初步了解核电厂隔震结构在地震作用下的动力响应；在以上试验基础上，对核电厂隔震结构进行了三向地震模拟大型振动台试验研究，测定了核电厂结构模型的动力特性、不同位置的加速度反应、隔震层的位移和支座受力；将试验结果和理论计算结果进行对比分析，综合分析判断结构的总体抗震性能。 2100433B

研究表明，大跨结构在抗震分析时要考虑地震动空间效应的影响。近年来，支座隔震技术逐步应用于空间网格结构，由于隔震层的存在，导致现有计算方法无法适用于隔震结构多点地震激励下的地震响应分析。项目针对隔震空间网格结构超长、大跨的特点，基于理论分析与振动台模型试验，以期建立多点地震激励下的结构响应分析方法，并系统研究隔震网格结构的动力特性和地震响应特征。理论方面，针对隔震结构的非线性问题，重点解决结构动力方程中的支座变刚度与非比例阻尼问题，提出刚度和阻尼等效准则，实现动力方程的直接求解，并进行算法研究，然后编制相应的计算程序。试验研究方面，基于振动台台阵模型试验，研究隔震网格结构多点地震输入下的动力特性和响应特征，重点考察地震动激励、支座的刚度和阻尼变化对结构抗震性能的影响，并验证理论模型的合理性。最后基于理论分析与试验研究，利用数值模拟进行参数分析，建立多点地震激励下隔震网格结构的实用分析方法。