邢国雷，薛 涛

(国核电力规划设计研究院，北京市100094)

0 引 言

在地震作用下电力系统应保障其抗震安全，发挥生命线的功能、及时提供电力供应、为抗震救灾提供支持。核电厂主厂房结构作为一种特种结构，其抗震设计的重要性毋庸质疑，在2011年3月日本大地震中，福岛核电站出现的泄漏事件给日本乃至全世界的经济、社会等各方面都带来了巨大的冲击，确保核电厂相关结构在地震中的安全是核电厂主厂房结构抗震设计的首要目标。文献［1］中提出常规岛结构邻近核岛，因而常规岛的抗震性能要考虑对核岛的影响，对于可能危及抗震Ⅰ类建筑各项功能的非安全级构筑物，必须确保其在极限安全地震震动下不倒塌。因此，对核电厂主厂房结构进行罕遇地震作用下的抗震研究及破坏评估具有重要的现实意义。

采用动力弹塑性时程分析方法［2-3］，能够计算地震反应全过程中结构的内力和变形形态，发现应力和塑性变形集中的部位，从而判别结构的屈服机制、薄弱环节和可能破坏的类型，同时可以采用纤维模型方法计算的弯矩－曲率关系来描述结构单元力与变形的变化关系［4-5］，因此被认为是最可靠的结构弹塑性分析方法。目前，对核电厂主厂房结构进行基于性能的抗震分析的研究并不多［6-7］。林生逸等［8-9］利用PERFORM－3D 非线性分析软件对典型常规岛主厂房整体结构进行动力弹塑性时程分析，并参考基于性能的抗震规程FEMA356［10］制定构件变形性能指标，对构件的变形响应进行评估，最后针对主厂房的抗震性能给出了相应的设计建议。张琴等［11］针对核电厂常规岛厂房这种特殊的工业建筑结构，提出了常规岛厂房的抗震性能目标、性能水准以及实施抗震性能设计的方法，并用工程实例说明如何应用这一理念，证明了核电常规岛厂房采用基于性能抗震设计方法的可行性。宋远齐等［12-13］运用基于结构性能的抗震设计方法，对大型电厂框排架结构进行静力弹塑性地震反应分析，研究该类结构的整体抗震能力和破坏过程。结果表明，主厂房框排架结构在7 度罕遇地震作用下能满足变形要求，但结构存在较多的薄弱环节，在设计时应引起高度重视。本文以某1 000 MW 机组核电厂主厂房钢筋混凝土框排架结构为研究对象，对其抗震性能进行评估，为核电厂主厂房结构的合理设计提供依据。

1 结构分析模型

某1 000 MW 核电厂，主厂房横向为钢筋混凝土框排架结构，纵向为框架结构，共5 层(顶部为屋架层)。钢结构构件(钢屋架、汽轮机部分钢结构)与混凝土框架构件连接处为铰接，钢屋架内部斜撑为铰接，其他都为刚接。本工程的设计使用年限为50年，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.15 g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，抗震等级为一级。

2 地震动的选取

GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》规定:进行时程分析时需采用不少于2 组实际强震记录和1 组人工模拟加速度时程曲线［14］。基于上述要求，本工程选用了2 组天然地震动记录和1 组人工波进行了时程分析，主、次方向地震波强度比按1∶ 0.85 确定，罕遇地震峰值加速度取310 cm/s2。图1 分别给出了3 组地震波对应的加速度谱(5%阻尼比)，频谱分析表明所选地震波频谱特性满足要求，可以看出这3 组波反应谱与规范反应谱在关键周期点吻合得较好。

图1 地震波频谱特征Fig.1 Spectral characteristics of seismic wave

3 结构的动力特性

核电厂主厂房结构的振型质量参与系数如表1所示，由表1 可知:

(1)第1 阶振型为纵向平动，存在一定程度的绕z 轴转动，其纵向质量参与系数为73%，该振型在顶层的x 向最大位移是层位移平均值的1.09 倍，该方向扭转可以认为还是较规则的。

(2)第2 阶振型为横向平动，存在一定程度的绕z 轴转动，其纵向质量参与系数为64%，该振型在顶层y 向最大位移是层位移平均值的1.49 倍，按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的规定，横向存在扭转不规则。

(3)第3 阶振型为绕z 轴的转动。

4 结构反应谱分析

在分析核电厂主厂房结构动力特性的基础上，采用振型分解反应谱法对其进行地震作用分析。由于核电厂主厂房结构的x 方向尺度远远大于y 方向，y方向的地震力起控制作用，所以表2 仅给出了y 向反应谱作用下的层位移和层间位移角的分布。由表2可知:主厂房结构在反应谱作用下，层位移的最大值为12.1 mm，满足工程要求，层间位移角的最大值为1/617，出现在结构顶层，满足规范规定的1/550 的限值要求。

表1 钢筋混凝土主厂房的振型质量参与系数Tab.1 Structural modal mass participation factor of reinforced concrete main workshop

表2 x 向反应谱作用下各楼层层位移和层间位移角Tab.2 Each floor layer displacement and interlayer displacement angle under response spectrum in x direction

5 结构弹塑性时程分析

采用大型通用有限元软件ABAQUS 考察常规岛主厂房结构大震作用下的抗震性能［15-16］，研究各部件进入弹塑性阶段的顺序、损伤程度和分布，在此基础上提出对原结构方案的意见和建议。框架结构弹塑性阶段的抗震能力体现在变形承受能力上，包括:

(1)结构构件的变形是否在其可承受范围之内，主要指框架构件(梁、柱、支撑)截面的塑性变形。

(2)层间位移角(输出各层对角角点的位移时程，然后计算层间位移角时程，取最大值。由于结构可能存在偏心，不能取质心处，需考察同层中x、y 方向各相对2 点)是否在规范规定的范围之内。

5.1 ABAQUS 弹塑性模型简介

5.1.1 单元

(1)梁、柱杆件:采用纤维梁单元，梁柱钢筋直接读取根据性能目标所对应的SATWE 设计配筋面积后布于截面。

(2)模型中未包括楼板单元，用2 种途径考虑楼板单元的作用:①基于刚性楼板假定将同层节点水平自由度约束起来;②对于考虑刚度放大的中梁和边梁增加梁翼缘，做成T 型梁。

(3)恒活荷载以质量点的形式施加于梁节点上。

5.1.2 计算工况

在ABAQUS 的计算模型中输入与规范谱标定的1 组人工波和2 组天然波。每组输入包括x、y 水平双向地震记录，地震波主方向考虑2 种情况，分别作用于结构纵横向，共6 种地震动输入工况。

由于楼层平面可能会存在扭转，因而在计算层位移和层间位移角时在每楼层平面中选择4个点提取位移时程，如图2 所示。其中上、下部节点主要用于计算结构在x 方向的位移角和侧移，左、右端节点用于计算y 向的位移角和侧移。

图2 位移参考点示意Fig.2 Displacement reference point

5.1.3 材料

(1)钢筋:采用Clough 三线性模型(如图3 所示)。考虑包辛格效应，在循环过程中考虑了刚度退化，以此来模拟钢筋与混凝土的联结滑移效果。

图3 钢筋的clough 三线性模型Fig.3 Clough three linear model of reinforcement

(2)混凝土:采用混凝土单轴本构模型与美国太平洋地震工程中心开发的 OPENSEES 中的concrete02 模型相同，其受压骨架线如图4 所示。

图4 混凝土骨架曲线Fig.4 Concrete skeleton curve

5.2 ABAQUS 弹塑性分析结果

5.2.1 宏观结果

图5 给出的是天然波II(该波破坏力最强)主方向作用于纵向的层间位移角和层位移曲线，从图5 可以看出:(1)天然波II 作用下，结构纵、横向框架层间位移角的最大值分别为1/62 和1/113，均小于规范要求的1/50，满足规范要求;结构纵、横向框架层位移的最大值分别为258，201 mm，满足业主关于侧移不大于300 mm 的要求。

(2)在纵向框架中，顶层为薄弱层，这一方面是由于顶层钢构件与混凝土构件之间是按铰接计算的，另外一方面可能是由于第4 层没有楼板的原因;横向框排架的较大层间位移角出现在第4、5 层。

(3)按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［14］关于结构整体性能目标的说明:结构纵向框架的最大层间位移角为1/92 ～1/52，其中顶层层间位移角较大，其抗震性能基本能够达到性能目标4 的要求，其他层可以很好地达到性能目标4;横向框架各层都能达到性能目标3 的要求，延性较好。

图5 结构层间位移角和层位移曲线Fig.5 Curves of structural layer displacement angle and displacement

5.2.2 构件损伤

本文采用如下方式定义构件的损伤阶段:

(1)当构件变形处于弹性设计和屈服位移之间时，为刚轻微损伤(如图6 所示)，在地震结束后，可以马上使用，用圆形表示。

(2)当构件变形处于屈服位移和近似极限荷载对应位移之间时为中度损伤，在此阶段构件仍具有使用功能，结构不会倒塌，人生命是安全的，用正方形表示。

(3)当构件变形处于弹性位移限值和弹塑性极限位移的50%和90%的极限位移之间时，构件为较严重损伤，要防止结构倒塌，用三角形表示。

(4)当构件变形大于90%极限变形时，构件严重破坏，用五角形表示。

图6 给出的是天然波II 作用下结构构件的破坏情况，纵向按D-F 列、横向按1 －2、4 轴取出各典型框架，图中标出了框架所在的位置、标高以及不同标记所代表的意义。

从图6 可看出:

(1)构件损伤程度不高，没有构件损伤达到较严重破坏阶段，结构构件全部满足极限承载力要求。

(2)纵向框架的损伤程度比横向框架严重，破坏主要集中于E、F 列，其原因可能是E、F 列在第4 层无楼板且柱截面也有所减小，结构整体水平刚度弱于下部。

(3)底层框架柱中，有一部分柱较长，此部分柱完全没有损伤，其原因可能是由于同层较短的柱侧移刚度大于较长柱，损伤集中于前者。这表明为发挥同层柱的抗侧功能，宜在变长度柱位置增大截面或设置地梁。

6 结 论

(1)由于常规岛主厂房内部多错层，结构局部楼层在地震作用下层间位移角有所突变，形成薄弱层，在设计时应引起重视。针对结构中出现的薄弱层，建议采用以下2 种方法予以加强:

①增加上部柱的截面，使其与下部一致。

②通过增加配筋率或设置钢骨来提高上部柱的耗能能力。

(2)构件损伤较严重的部位主要集中在底层、第4 层柱底位置和第5 层柱顶位置，但损伤程度最大为中度损伤，均未超过构件的最大承载力;在7 度罕遇地震作用下，核电厂主厂房结构的整体抗震性能和各类构件的抗震性能均满足设计要求，能够满足规范“大震不倒”的要求。

图6 典型框架的损伤情况Fig.6 Damage of typical framework

(3)本文中核电厂主厂房结构没有设置剪力墙或柱间支撑，为工艺设备和管道的布置提供了更大的空间。但主厂房结构为不规则框排架结构，横向框架的抗震性能明显优于纵向框架，考虑扭转效应对此类结构抗震性能的影响还有待进一步研究。

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