CN108877963B - 双层安全壳大型核电站三维隔震结构 - Google Patents

双层安全壳大型核电站三维隔震结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双层安全壳大型核电站三维隔震结构，将双层安全壳(内安全壳、外安全壳)的结构特点与隔震减震技术相结合，提出了外安全壳采用传统非隔震结构，有效防止外部撞击事件对核岛的不利影响；提出了核支撑结构及内安全壳与地基基础之间采用水平隔震方式连接，形成了基础隔震结构；修改了内安全壳与其内部结构连接形式，形成了TMD子结构，实现了基础隔震—调频质量阻尼(BIS‑TMD)隔震减震结构对水平地震的技术隔离；增加了防撞击结构，有效地防止了TMD子结构位移较大而发生坠落失效。

Description

双层安全壳大型核电站三维隔震结构
技术领域
本发明涉及一种三维隔震结构，特别是一种双层安全壳大型核电站三维隔震结构。
背景技术
目前，法国的P4、P’4和N4核电站，欧洲的EPR，俄罗斯的VVER，和美国的AP1000，中国的华龙一号都采用了双层安全壳。以华龙一号为例，其内安全壳采用带密封钢衬里的预应力钢筋混凝土结构，可以承受LOCA事故的高温与高压作用，并将放射性物质包容在内安全壳里面。外安全壳采用钢筋混凝土结构，可以抵抗大型商用飞机撞击、龙卷风飞射物、外部爆炸等外部作用，防止外部作用对内安全壳及核设施安全的影响，见图1所示。基于此，我国科研人员提出并实现了“安全壳内出事，安全壳外无事；安全壳外出事，安全壳内无事”的安全理念。遗憾的是，华龙一号采用了传统性的结构抗震形式，没有将其先进的安全理念应用在抗震领域。
针对核电站不允许在地震作用下出现核电站结构和设备出现破坏的特殊抗震要求，基于隔震减震动力学基本理论和技术，本发明挖掘了双层安全壳的结构潜力，提出了水平隔震与竖向隔震兼顾，充分发挥了BIS-TMD技术的优势，采用了竖向隔震技术并防止核设施的倾覆破坏，具有竖向隔震和水平隔震效果好、抗震鲁棒性稳定、防止竖向倾覆等性能，满足了核电站特殊抗震要求的三维隔震系统。
由于核电站结构位于同一场地，并且结构尺寸与地震相比属于小尺寸构件，可以假定核电站不用考虑地震空间差异性。将地震动分解为水平和竖向地震动，并且可以假定它们没有相关性。
针对外部撞击事件：维持外安全壳与基础固定连接的边界条件和结构几何尺寸组成，可以保持原设计外安全壳的力学性能和结构性能，有效地防止外部撞击事件(大飞机撞击)对核安全的影响。
针对水平地震动：理论分析和试验验证表明，BIS-TMD可以显著地降低水平地震对结构的影响。BIS-TMD结构的BIS基础隔震作用，延长了结构周期，避免了短频率地震频谱分量的影响；TMD的吸振作用，有效地减小了长周期地震频谱分量对基础隔震共振的影响。理论分析和试验都表明，BIS-TMD结构可以有效地减小结构的地震响应。通过修改华龙一号结构各部分之间的连接方式，就可以形成BIS-TMD结构。
针对竖向地震动：理论分析表明，通过延长结构的竖向周期，避开场地的竖向周期，可以显著的降低结构竖向地震响应。根据结构动力学基本理论可知，适当的增加结构的竖向阻尼比，也可以降低结构的竖向地震响应。基于水平基础隔震，通过水平方向固定、竖向弹簧的竖向隔震支座，可以实现核支撑结构的竖向隔震。
防止倾覆破坏：为了防止核支撑结构的侧向倾覆，通过提供水平支撑可以较好地解决此问题。由于内安全壳与核支撑结构都是在同一基础隔震底板上，具有很小的相对位移和加速度，可以应用内安全壳提供稳定的水平支撑，防止核支撑结构发生倾覆破坏。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是针对核电站特殊抗震要求，地震动三维振动及其随机性强的实际情况，提供一种结构形式和体系符合结构动力学原理和地震工程要求，显著地提高了核设施及其核支撑结构的抗震安全性的双层安全壳大型核电站三维隔震结构。
为解决上述技术问题，本发明一种双层安全壳大型核电站三维隔震结构，包括：地基基础1、水平隔震支座2、基础隔震底板3、内安全壳4、竖向隔震支座5、核支撑结构6、外安全壳7、防撞击结构9、TMD子结构10及其TMD支座11、水平同位构件12、竖向阻尼构件13；地基基础1和基础隔震底板3之间设置有水平隔震支座2，外安全壳7与地基基础1固定连接，核支撑结构6与基础隔震底板3之间设置有竖向隔震支座5，核支撑结构6与内安全壳4之间设置有水平同位构件12，核支撑结构6与内安全壳4之间设置竖向阻尼构件13，内安全壳4与基础隔震底板3固定连接，外安全壳7设置在内安全壳4、防撞击结构9TMD子结构10及其TMD支座11外，防撞击结构9通过TMD支座11设置在内安全壳4上方。
本发明有益效果：本发明的减震效果：(1)维持外安全壳结构形式，隔离了台风、撞击等外部危险源；(2)形成BIS-TMD体系，实现了提高水平隔震效果，并且保证了水平减震效果的稳定性；(3)形成竖向隔震结构体系，增加竖向阻尼比，形成稳定的竖向减震体系；(4)挖掘结构潜力，实现内安全壳对核支撑结构水平振动同位，实现了防止核设施及核支撑结构的水平倾覆破坏。
本新型结构通过调整BIS结构周期，TMD子结构与主结构的质量比，可以实现水平基底剪力减小不少于60％，绝对加速度不小于50％；通过调整核支撑结构的竖向隔震支座周期，增加竖向阻尼比，地震竖向轴力减小不少于50％，绝对加速度不小于45％。本发明适用于双层安全壳大型结构核电站，也适用于类似双层安全壳的小型核电站。本新型结构也适用于大型LNG储罐、大型危险品库、精密仪器厂房和库房的三维隔震减震需求。
附图说明
图1是双层安全壳大型核电站三维隔震结构立面图；
图2是双层安全壳大型核电站三维隔震结构A-A剖面图；
图3是双层安全壳大型核电站三维隔震结构B-B剖面图；
图4是双层安全壳大型核电站三维隔震结构C-C剖面图。
具体实施方式
附图中1为地基基础；2为水平基础隔震支座；3为基础隔震底板；4为内安全壳；5为竖向隔震支座；6为核支撑结构；7为外安全壳；8为核设施；9为TMD子结构防撞击结构；10为TMD子结构；11为TMD支座；12为水平同位构件；13为竖向阻尼构件。
本发明针对核电站特殊抗震要求，考虑地震三维振动的特点，应用隔震减震理论，挖掘了双层核安全壳的结构特点，提出了双层安全壳大型核电站三维隔震减震结构。
本发明的实施方案：首先，浇筑施工地基基础并安装水平隔震支座的埋件。其次，在地基基础上安装水平隔震支座；接着在支座上完成基础隔震底板的施工，基础隔震底板可以采用预制结构或者现浇方法。然后，浇筑施工内安全壳并安装竖向隔震支座埋件，等它们都达到设计施工强度，紧接着安装竖向隔震支座并完成核支撑结构的布置。然后，在内安全壳与核支撑结构中间安装水平同位构件和竖向阻尼构件。然后，安装核设施并完成内安全壳的封顶。最后，安装TMD子结构和施工外安全壳。
图1为以华龙一号为例，本新型结构的结构示意图。体现了外安全壳7维持原来的与基础1固定连接；体现了基础隔震底板3与地基基础1的水平基础隔震支座2连接方式；体现了内安全壳4的TMD子结构10及其支座11；核支撑结构6的竖向隔震支座5连接；体现了核支撑结构防止倾覆措施；体现了核支撑结构的增加竖向阻尼比措施。
图2,A-A剖面图为以BIS-TMD系统的子结构10及其支座11示意图，体现了TMD支座11布置示意图；体现了内安全壳4顶部与子结构10的几何尺寸关系。
图3,B-B剖面图为以体现核支撑结构6和核设施8的示意关系；体现了内安全壳4、核支撑结构6与水平同位构件12和竖向阻尼构件13的示意关系。
图4,C-C剖面图为以体现地基基础1与水平基础隔震支座2的示意关系，也体现了水平基础隔震支座2布置示意图。
本发明具体实施方式还包括：
首先，基于基础隔震减震技术，舍弃了上部结构与地基基础之间传统的固定连接方式，上部结构应用基础隔震支座与基础隔震底板与地基基础相连，实现了核设施及核支撑结构的水平隔震。
其次，为了提高基础隔震的减震效果，防止基础隔震结构对某些地震频谱的共振破坏，应用基础隔震—调频质量阻尼器(BIS-TMD)混合减震技术，考虑内安全壳上部与核安全关联性小，修改了内安全壳上部的结构形式，使内安全壳上部成为TMD子结构，实现了应用BIS-TMD技术提高了核岛结构的水平隔震减震效果。
然后，在水平隔震的基础上，增加竖向隔震支座，实现核设施及核支撑结构的竖向隔震。本发明修改了基础隔震底板与核支撑结构的固定连接方式，采用竖向隔震支座连接，延长了核支撑结构的竖向周期和增加竖向阻尼，并且避开了场地及结构的竖向振动基频，大幅度减小了竖向地震能量的输入，从而实现了核支撑结构的竖向隔震。
基于此，通过水平基础隔震支座与基础隔震底板的作用，隔离了水平地震动；通过竖向隔震支座和基础隔震底板的作用，隔离了竖向地震动。通过上述两个隔离，实现了核设施及其支撑结构的三维隔震。
接着，针对竖向隔震造成核设施及核支撑结构竖向位移增大，容易引起倾覆破坏，增加了水平同位构件，实现了防倾覆破坏。维持内安全壳与基础隔震底板固定连接，使得，内安全壳与基础隔震底板发生水平向同步运动，而竖向位移较小，具有良好的稳定性，可以形成核支撑结构的水平支撑点。内安全壳和核支撑结构之间增设水平同位构件，该构件可以使核设施及核支撑结构与内安全壳之间具有相同的水平位移，防止了倾覆破坏的发生。
同时，由于内安全壳竖向振动频率快，竖向振动位移小，而核支撑结构竖向振动频率慢，竖向振动位移大，因而内安全壳与核支撑结构之间的竖向位移差会促使竖向阻尼构件发挥作用，提升结构竖向的阻尼耗能性能，减小结构的竖向振动，从而提高了结构竖向的减震效果。
接着，BIS-TMD振动理论可知，在振动过程中子结构TMD结构具有较大的地震响应。并通过增加TMD子结构防撞击结构，防止TMD子结构发生坠落失效。
最后，维持外安全壳与基础固定连接的边界条件和结构几何尺寸组成，可以保持原设计外安全壳的力学性能和结构性能，有效地防止外部撞击事件(大飞机撞击)对核安全的影响。
本发明具体实施方式还包括：
双层安全壳大型核电站三维隔震减震结构，包括：地基基础1、水平隔震支座2、基础隔震底板3、内安全壳4、核支撑结构6及竖向隔震支座5、外安全壳7、核设施8、防撞击结构9、TMD子结构10及其TMD支座11、水平同位构件12、竖向阻尼构件13。通过上述构件的组合，可以实现本发明的新型结构。结构实施过程简单，力学机理明确，具有良好的可操作性。其中，TMD子结构由构件10组成；TMD主结构由构件3、4、6、8组成；上部结构由构件3、4、5、6、8、9、10、11、12、13、14组成。
外安全壳7维持传统的非隔震结构，即外安全壳7与地基基础1固定连接，利用外安全壳7的力学性能和结构性能，有效地防止外部撞击事件大飞机撞击对核安全的影响。
舍弃了上部结构与地基基础1之间传统的固接方式，采用水平隔震支座2连接，实现了上部结构与地基基础的水平地震隔离。
核支撑结构6与基础隔震底板3之间采用竖向隔震支座5连接，可以实现核设施及核支撑结构的竖向隔震，而竖向隔震支座5竖向刚度较小，而水平刚度很大。基于水平隔震和竖向隔震，可以很好地实现了核设施及支撑结构的三维隔震。
竖向隔震虽然隔离了地震竖向震动引起的竖向加速度响应，但竖向位移响应有所增大，存在倾覆破坏的风险。核支撑结构6与内安全壳4之间加设水平同位构件12，该构件可以使核支撑结构6与内安全壳4具有相同的水平位移，而内安全壳4与基础隔震底板3固定连接，从而形成防止倾覆的固定支撑，消除了由于竖向隔震造成核支撑结构6及核设施8的倾覆隐患。
为了防止竖向隔震结构对某些地震波放大的情况，增加了竖向阻尼构件13，通过增加结构阻尼，提高了结构竖向震动的减震效果及其减震稳定性。内安全壳4采用固定支座连接在基础隔震底板3之上，其特点为竖向振动周期短，频率快，但是结构竖向位移小；核支撑结构6采用竖向隔震支座5连接在基础隔震底板3之上，其特点为竖向振动周期长，频率慢，导致结构竖向位移大；上述原因导致二者之间的竖向位移差，促使竖向阻尼构件13发挥作用，提供竖向附加阻尼。
根据BIS-TMD结构减震理论和动力响应特点可知，传统平面结构TMD子结构位移响应大。本结构应用核安全壳圆形结构的特点，将TMD子结构位移响应转换为环向位移，并通过增加TMD子结构防撞击结构9，有效地防止了TMD子结构10发生坠落失效。
本发明针对传统核电站结构在服役期间可能出现的地震破坏，从核电站特殊安全功能出发，发明了适合于双层安全壳结构的大型压水堆核电站三维隔震减震结构。本发明以我国华龙一号为代表，将该核电站双层安全壳(内安全壳、外安全壳)的结构特点与隔震减震技术相结合，提出了外安全壳采用传统非隔震结构，有效防止外部撞击事件对核岛的不利影响；提出了核支撑结构及内安全壳与地基基础之间采用水平隔震方式连接，形成了基础隔震结构；修改了内安全壳与其内部结构连接形式，形成了TMD子结构，实现了基础隔震—调频质量阻尼(BIS-TMD)隔震减震结构对水平地震的技术隔离；增加了防撞击结构，有效地防止了TMD子结构位移较大和坠落失效。本发明修改了核支撑结构与其基座的固定连接，采用了水平固定的竖向隔震支座，实现了核设施及核支撑结构的竖向隔震；应用内安全壳与核支撑结构水平相对位移和加速度小、而竖向相对位移和加速度较大的地震响应特点，增设了水平同位构件和竖向阻尼构件，防止了核设施及支撑结构倾覆破坏的发生，并减小了地震响应。
本发明挖掘了核电站双层安全壳的结构潜力，应用外安全壳隔离了台风、撞击等外部危险源，综合了BIS-TMD水平隔减震技术，竖向隔震减震技术和内安全壳结构动力特征，实现了核设施及其支撑结构的三维地震动的隔离。对所有场地的地震动，本发明可以使大型核电站免除地震和外部危险源的不利影响，满足核电站不允许出现事故的特殊抗震抗灾要求。本新型结构实现简单，理论依据可靠，可以显著地提高了大型核电站结构的抗震安全性。

Claims (1)

1.一种双层安全壳大型核电站三维隔震结构，其特征在于：包括：地基基础(1)、水平隔震支座(2)、基础隔震底板(3)、内安全壳(4)、竖向隔震支座(5)、核支撑结构(6)、外安全壳(7)、防撞击结构(9)、TMD子结构(10)及其TMD支座(11)、水平同位构件(12)、竖向阻尼构件(13)；地基基础(1)和基础隔震底板(3)之间设置有水平隔震支座(2)，外安全壳(7)与地基基础(1)固定连接，核支撑结构(6)与基础隔震底板(3)之间设置有竖向隔震支座(5)，核支撑结构(6)与内安全壳(4)之间设置有水平同位构件(12)，核支撑结构(6)与内安全壳(4)之间设置竖向阻尼构件(13)，内安全壳(4)与基础隔震底板(3)固定连接，外安全壳(7)设置在内安全壳(4)、防撞击结构(9)、TMD子结构(10)及其TMD支座(11)外，防撞击结构(9)通过TMD支座(11)设置在内安全壳(4)上方，TMD子结构(10)通过TMD支座(11)设置在内安全壳(4)上部。
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