CN104847153B - 一种自复位摇摆内筒减震水箱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种自复位摇摆内筒减震水箱，包括安装在下部支撑结构上的基座、安装在基座上的外筒壁和安装在外筒壁内部的内筒壁，内筒壁与外筒壁之间装有储液水所述基座上沿内筒壁所在位置均匀设置有六个自复位摇摆支座，每个所述自复位摇摆支座包括通过基座埋件安装在基座上的下耳板、通过插销与下耳板连接的上耳板和对称设置在下耳板与上耳板之间的四根预应力杆，所述内筒壁的下端均匀设置有数量与自复位摇摆支座数量相等的内筒壁埋件，内筒壁通过内筒壁埋件与对应的上耳板固定连接，内筒壁与外筒壁之间的上端还设置有阻尼器。本发明具有抗震性能稳定、减震效果好等优点，同时也具有减小结构造价、具有工厂模块化生产等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种减震水箱，尤其涉及一种自复位摇摆内筒减震水箱。
背景技术
以AP1000、ACP1000、CAP1400等为代表的第三代核电站，普遍采用了非能动的技术路线和设计思想，非能动安全壳冷却系统(PCCS)是非能动技术的重要内容。PCCS系统就是应用物质的重力，流体的自然对流、扩散等基本自然规律，在事故应急时，不用人员干预和外部能源，冷却反应堆厂房(安全壳)的重力水箱喷水，并通过水变成蒸汽带走堆芯余热，进而保证核电系统的安全。以AP1000为例，当事故较小时，该PCCS系统采用钢制安全壳的内部自然循环和钢制安全壳外部自然循环，带走堆芯余热。当严重事故时，通过重力驱动PCCS顶部水箱，实施安全壳外部喷淋，带走余热，保证安全壳安全。AP1000顶部水箱在不用人员干预和外部能源情况下，可以维持工作三天，可以有效地防止核事故发生。
顶部水箱结构是提供PCCS非能动功能的水源，具有重要的作用。核电站不允许地震作用下发生破化，与一般民用工业建筑相比，具有较高的抗震要求。核电安全壳属于第一类抗震结构物，它是用来防止发生最大设计事故时放射性物质泄漏到周围环境中。在某种意义上讲，PCCS水箱是核电安全保障系统的关键部件之一。目前，储液类结构的抗震性能并不能满足社会的要求。从美国阿拉斯加地震(Ms8.4,1964)，日本新潟地震(Ms7.5,1964)，美国戈达盆地地震(Ms7.7,1980)，土耳其Kocaeli地震(Ms7.4,1999)，印度古吉拉特地震(Ms.7.4,2001)等地震灾害中，都有储罐类结构发生破坏。2011年日本仙台3.11地震(Ms.8.9,2001)，在造成重大核电事故的同时，也引发储油罐发生破坏，并引起储油罐爆炸。美国NRC报告指出，PCCS水箱的抗震安全应该得到保证。
在地震作用下，PCCS顶部重力水箱产生的液体动压力可以简化为两部分:一部分是冲击分量，考虑液体与罐壁同步运动而产生冲击的动水压力；另一部分是对流分量，考虑液体与罐壁之间有相对运动而发生液面晃动，导致罐底和罐壁的对流动水压力。根据结构振动理论可知，提高水箱整体结构阻尼比，会减小冲击分量和对流分量的液动压力，进而减小其产生的基底剪力。
建筑结构支座是结构构件之间连接的一种常用方式。在工程上，将结构或构件连接在支承物上的装置，称为支座。常常通过支座将构件支承在基础或某一构件上。同时，支座对它所支承的构件提供约束。根据受力情况来分，建筑结构的支座通常分为固定支座、铰支座、滑移支座等类别。支座是影响建筑结构抗震性能的关键部件。以水箱结构为例，Housner发现1980年智利地震中多数固定支座方式建造的水塔结构破坏严重，但少数以高尔夫球座(Golf-ball-on-a-tee)方式建造的水塔结构基本完好。随后，Chopra、Hamid、Chung、周福霖、欧进萍、吕西林等采用隔震的技术实现结构的摇摆。我国台湾学者郑锦铜等运用机械机构的摇晃及滚动机理研究给出了自复位摇晃式隔震支座。
发明内容
本发明的目的是为了提高水箱结构的抗震性能和减震效果而提供一种结构简单、造价低的自复位摇摆内筒减震水箱。
本发明的目的是这样实现的：包括安装在下部支撑结构上的基座、安装在基座上的外筒壁和安装在外筒壁内部的内筒壁，内筒壁与外筒壁之间装有储液水，所述基座上沿内筒壁所在位置均匀设置有六个自复位摇摆支座，每个所述自复位摇摆支座包括通过基座埋件安装在基座上的下耳板、通过插销与下耳板连接的上耳板和对称设置在下耳板与上耳板之间的四根预应力杆，所述内筒壁的下端均匀设置有数量与自复位摇摆支座数量相等的内筒壁埋件，内筒壁通过内筒壁埋件与对应的上耳板固定连接，所述内筒壁与外筒壁之间的上端还设置有阻尼器。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述相邻的两根预应力杆之间的距离相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明借鉴建筑结构的摇摆剪力墙框架结构体系，提出并实现通过调整内筒壁与基座之间的连接方式，实现内筒壁在地震荷载作用下的摇摆，而内筒壁的大幅晃动与刚性外筒壁的微小变形，使得水箱内部的水出现大幅的非线性运动，提高了结构耗能能力，增加了结构内阻尼，应用自复位摇摆支座转动刚度小、结构转动灵活同时在内筒壁与外筒壁之间布置阻尼器，进一步提高了结构内阻尼，减小了水箱的基底剪力，提高了结构的抗震性能。本发明适用于核电安全壳顶部水箱结构的设计，同时也适用于大型工业储罐类水箱结构的设计，具体是提高了水箱结构及下部支撑结构在地震作用下的抗震性能。本发明具有抗震性能稳定、减震效果好等优点，同时也具有减小结构造价、具有工厂模块化生产等优势。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的A-A方向的示意图；
图3是本发明自复位摇摆支座部分的结构示意图；
图4是图3的B-B方向的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，为减小结构地震作用，本发明提出并实现了核电安全壳顶部水箱的内摇摆结构，本发明包括安装在下部支撑结构7上的基座6、安装在基座6上的外筒壁2和安装在外筒壁2内部的内筒壁1，内筒壁1与外筒壁2之间装有储液水4，所述基座6上沿内筒壁1所在位置均匀设置有六个自复位摇摆支座5，每个所述自复位摇摆支座5包括通过基座埋件13安装在基座6上的下耳板12、通过插销11与下耳板12连接的上耳板9和对称设置在下耳板12与上耳板9之间的四根预应力杆10，所述内筒壁1的下端均匀设置有数量与自复位摇摆支座5数量相等的内筒壁埋件8，内筒壁1通过内筒壁埋件8与对应的上耳板9固定连接，也即是在内筒壁1与基座6之间设置了自复位摇摆支座5，从而减小了内筒1结构的转动刚度，实现了地震作用下内筒壁1的摇摆，基于内筒壁与外筒壁的相对变形，在所述内筒壁1与外筒壁2之间的上端还设置有阻尼器3，可以大幅度增加结构阻尼，而提高水箱结构的阻尼，会大幅度减小结构基底剪力，进而提高水箱结构及其下部支撑结构7抗震性能和安全性。所述相邻的两根预应力杆10之间的距离相等。
本发明提出并实现了应用预应力构件手拉提供拉力，受压不提供压力的特点，结合转动铰支座特征，发明非能动类型的自复位转动支座。基本原理是结合核电PCCS水箱结构的特点，应用预应力构件受拉力时提供拉力、受压时卸载的基本力学特征，形成双向复位弯矩。在地震过程中，复位弯矩与转动铰支座结合，实现了结构的自复位功能；同时，应用成熟的防水构造做法，实现了结构密封。也即本发明提供的是以核电PCCS(非能动冷却系统)的顶部重力水箱结构为对象，舍弃了传统结构内筒壁1与基座6之间的固定连接方式，提出了自复位摇摆支座5，实现了内筒壁1在地震作用下大幅度晃动，结合刚性壁外筒壁2的微小变形，实现了内部水出现大幅度非线性运动，提高结构耗能能力和内阻尼，并在震后自动恢复原来平衡位置的功能。自复位摇摆支座5结合内筒壁1结构的变形和自复位摇摆支座5的转动特征，基于预应力构件受拉力时提供拉力、受压时卸载的基本力学特征，在传统固定转动支座增加预应力杆10，实现自复位摇摆支座5的自复位功能，并给出了内筒壁与自复位摇摆支座的连接和细部构造。
根据本发明的内筒壁1和外筒壁2动力特性和地震响应特点，提出并应用内筒壁1的大幅度摆动、刚性壁外筒壁2的微小变形，从而形成较大的相位差，导致内部储液水4出现大幅度非线性运动，进而提高了结构耗能能力和内阻尼。同样，应用内筒壁1与外筒壁2形成较大的相位差，可以在内筒壁1与外筒壁2之间布置阻尼器3，从而大幅度增加结构阻尼。根据动力学基本原理可知，增大水箱结构的阻尼比，可以减小PCCS水箱结构的地震基底剪力，进而提高了核电安全壳及整体结构的抗震性能。本发明适用于核电PCCS水箱结构，同时也适用于大型工业储液罐类水箱结构。
如图3和图4所示：本发明在上耳板9和下耳板12之间设置预应力杆10，应用预应力与支座之间形成偏心距e2，在向右振动过程，右边预应力构件提供预应力F，左边的预应力内力为0.0，进而形成向左的偏心弯矩F*e2。在向左振动过程，右边预应力构件提供预应力0.0，左边的预应力内力为F，进而形成向右的偏心弯矩F*e2。在振动过程和振动停止过程中，预应力偏心弯矩的作用始终使结构自助恢复到原来平衡的位置。同时，通过控制内筒壁埋件8与基座埋件13之间的空隙e，限制了筒壁结构的最大变形，本发明应用自然规律，不用外界动力，具有安全稳定的复位功能。
此外，本发明可以采用工厂模块化生产，降低结构制造和安装造价。根据结构特征并考虑安装过程，可以分为基座模块、自复位摇摆支座模块和内筒壁模块分别制作，通过模块之间的埋件，采用焊接连接。焊接连接一方面具有连接的作用，同时也是一种很好的防水处理方式。具体的说，基座模块施工过程中预留基座埋件13，便于预留基座埋件13与自复位摇摆支座5预留钢板进行焊接连接，如图3所示。自复位摇摆支座5与内筒壁1可以通过内筒壁1的预留的内筒壁埋件8焊接连接。也可以通过现浇混凝土，形成内筒壁1与摇摆支座5的连接。同时，内筒壁1可以由钢结构构成，通过焊接联系是一种常用的模式如图3所示。应用常用防水方式，可以保证结构的密封性。从基座模块、摇摆支座模块、内筒壁模块依次逐步从下至上进行安装，组成内筒壁摇摆结构，保证结构的完整性和严密性。
首先进行基座模块的施工，其施工过程与传统核电安全壳水箱结构的施工过程相似，只需在相应位置的底部等距离预留摇摆支座安装所需要的预留钢板埋件。钢板宽度与摇摆支座相适应的，厚度可为20mm。通过摇摆支座上预留的埋件与基座上的预留钢板进行现场施焊，保证了结构的严密性。
再进行摇摆支座结构的安装，摇摆支座模块又分为两部分，一部分是下耳板12，另一部分是上耳板9，通过焊接分别与基座埋件13和内筒壁埋件8进行连接。上下耳板之间通过插销11连接，实现自复位摇摆支座5的摇摆功能，然后在自复位摇摆支座5的上耳板8与下耳板13之间对称等距安装有四根预应力杆10，偏心距为e2，如图4所示。实现了结构在地震作用下的双向自动复位功能。根据不同的抗震要求可以调整内筒壁埋件和基座埋件之间的空隙e，从而控制内筒壁结构的最大变形以适应不同的抗震性能要求。如图3所示。为了保证质量，减少造价，摇摆支座可以通过工厂预制。
内筒壁模块实行工厂预制，其规格与传统内筒壁规格一致。最后进行内筒壁模块的安装，通常通过焊接进行连接，焊接不仅方便快捷,同时也是一种很好的防水构造，如图3所示。根据实际要求也可采用混凝土现浇进行施工，在底部预留钢板，与支座焊接。最后，结合建筑结构防水做法，完成该结构的柔性防水层，此过程在此不进行详述。
Claims (2)
1.一种自复位摇摆内筒减震水箱，包括安装在下部支撑结构上的基座、安装在基座上的外筒壁和安装在外筒壁内部的内筒壁，内筒壁与外筒壁之间装有储液水，其特征在于：所述基座上沿内筒壁所在位置均匀设置有六个自复位摇摆支座，每个所述自复位摇摆支座包括通过基座埋件安装在基座上的下耳板、通过插销与下耳板连接的上耳板和对称设置在下耳板与上耳板之间的四根预应力杆，所述内筒壁的下端均匀设置有数量与自复位摇摆支座数量相等的内筒壁埋件，内筒壁通过内筒壁埋件与对应的上耳板固定连接，所述内筒壁与外筒壁之间的上端还设置有阻尼器。
2.根据权利要求1所述的一种自复位摇摆内筒减震水箱，其特征在于：所述相邻的两根预应力杆之间的距离相等。
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