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不同结构的核电站模型的比较教学探究

2020-08-28 174 上传者：管理员

摘要：应用结构隔震减震技术减小核电站的地震响应，培养学生结构创新能力和兴趣。以某AP1000核电站屏蔽厂房为例，应用比较教学方法，比较传统非隔震模型、基础隔震模型、基础隔震—调谐质量阻尼(TMD)模型和TMD模型的地震响应，表明隔震减震技术可以大幅度提高核电站抗震安全性。本研究对结构抗震课程的隔震减震教学具有参考价值。

关键词：
基础隔震
基础隔震—调谐质量阻尼
核电站
比较教学
调谐质量阻尼
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比较教学由探究和研讨两个基本环节构成，是提高教学质量的重要方法之一。比较教学可引导学生在探究活动中获取感性认识，在研讨过程中获取理性知识。探究和研讨紧密相连，探究得越充分，研讨就越深入，研讨越深入，建立的概念就会更清晰准确[1]。在土木工程学科领域中，伍云天等人开展了比较教学研究，给出了适合中国国情的教育改革方案[2]。何结兵应用比较教学，进行了超静定梁的教学方法研究，取得了很好的教学效果[3]。

建筑结构抗震学科受结构动力特性与地震响应的相互影响，涉及结构动力学，一直是土木工程教学的难点[4]。徐赵东等应用MATLAB软件，进行了建筑结构模型的振动控制分析[5]。陈清军和李文婷应用ANSYS软件，探讨了结构动力学的多元化教学，取得了良好的效果[6]。马乐为等基于脉冲频响函数，进行了结构的动力响应分析，为频域分析奠定了基础[7]。熊森等基于传递函数，进行了结构动力响应计算分析，表明了频域分析的优越性[8]。

上述教学研究成果为计算机仿真教学奠定了基础，也为应用比较教学方法开展结构抗震教学提供了工具。基于此，针对核电站特殊抗震安全要求和地震随机性的实际情况，设计比较教学模型，应用建筑结构隔振减震新技术提高核电站安全水平，培养学生学习兴趣和创新能力，提高建筑结构抗震课程的教学质量。

一、比较教学的模型设计

AP1000核电站作为第三代核电站的代表[9]，是中国和美国核工业科研人员合作的结晶。以AP1000核电站屏蔽厂房(如图1)为研究对象，设计比较教学模型，通过比较各个模型在时域的地震响应，提高教学质量。

基于结构抗震规范，根据教学需要，设计四个分析模型。屏蔽厂房各部分之间采用固定连接的传统结构，如图2(a)，即模型A，称为非隔震模型。保持结构其他部分不变，仅将模型A基础与地基的固定支座连接修改为隔震支座连接，构建BIS屏蔽厂房，如图2(b)，即模型B，称为基础隔震模型。采用陈建云等AP1000核岛基础隔震研究成果，BIS屏蔽厂房的等效周期为1.56s，等效阻尼比为10%[10]。在保证重力水箱结构完整性的前提下，可以适当放大重力水箱及其液体水的地震响应。基于此，修改了重力水箱上部结构与下部结构的固定连接方式，采用可调整刚度和阻尼比的TMD支座连接，形成TMD结构，如图2(d)，即模型D，称为TMD模型。将TMD结构与模型B基础隔震形式相结合，形成BIS-TMD结构，如图2(c)，即模型C，称为BIS-TMD模型。

由于AP1000屏蔽厂房属于复杂结构，可采用集中质量简化模型和等价线性化模型，通过有限元分析给出各模型的简化分析模型和结构参数，详见图2和表1[11]。

图1AP1000核电站核岛剖面图

图2各个模型的简化分析模型图

表1屏蔽厂房不同模型的结构参数

二、各模型的地震响应

各个模型j的运动方程统一表示为:

式中j=A,B,C,D;Mj为质量矩阵;Cj为阻尼矩阵;Kj为刚度矩阵;ι为影响系数向量;分别为模型j的相对位移、相对速度和相对加速度的向量;表示地震加速度，选用AP1000地震波。

在AP1000地震波作用下，应用式(1)计算给出模型j的基底剪力FSj(t)、主体结构相对位移disj(t)，分别见图3(a)和图3(b)，各个模型结构地震响应最大值见表2。

图3不同模型结构地震响应的时程图

表2不同模型地震响应最大值和地震响应比

三、教学内容的比较

(一)普通建筑与核电站的抗震比较教学

普通建筑的抗震设计方法通过结构变形和振动消耗地震输入能量，在极端地震作用下允许结构进入塑性阶段，甚至局部破坏阶段。

与普通建筑不同的是，核电站必须始终满足3项安全基本功能[9]，其中任何一项基本功能失效，都会导致安全事故:(1)具有安全停堆的基本功能，终止核裂变的发生，并且能够保持安全停堆状态;(2)具有余热导出功能，在有效时间范围内冷却系统能够安全地冷却堆芯，防止堆芯高温熔化;(3)具有包容密封功能，在任何情况下，应该将放射性物质包容在内安全壳内部，防止核辐射元素扩散。与核电站的三项安全基本功能一一对应，核电站必须满足的三项特殊抗震要求:(1)安全停堆功能要求，核设备与支撑结构不能有较大的相对位移、相对加速度和绝对加速度等地震响应;(2)余热导出功能要求，核支撑结构的地震响应应该控制在一定范围内，不允许发生结构破坏;(3)密封功能要求，保证内安全壳等结构不出现裂缝，或者较大的结构变形。

与普通建筑结构相比，核电站有更高的抗震要求，抗震设计方法和结构体系也有所不同，抗震设计还需要发展。

(二)不同结构模型抗震响应的比较教学

比较各个模型的基底剪力，从大到小依次为模型A、模型D、模型B、模型C，模型A的基底剪力最大，模型C的最小，仅为模型A的17.7%。

比较各个模型的结构位移，从大到小依次为模型B、模型C、模型A、模型D，模型B的结构位移最大，模型D最小。这主要是由于在TMD吸振作用下，模型D在基底剪力和主体结构位移两方面都有较好的减震效果。基础隔震有效地延长了结构周期，减小了基底剪力和加速度地震响应，但放大了结构位移。比较各个模型的层间位移，模型B和模型C的层间位移很小，这是因为隔震结构的位移主要集中在隔震层。

从不同模型的地震响应分析来看，采用隔震减震技术可以大幅减小核设备及支撑结构的地震响应，特别是BIS-TMD模型即模型C，减震效果最优，更好地综合了模型B和模型D的优点。

应用比较教学，通过比较不同模型的地震响应，比较普通建筑与核电站抗震要求的不同，有利于学生理解结构抗震课程的隔震减震技术教学内容，掌握隔震减震技术在减小结构地震响应中所发挥的作用，激发土木工程专业学生的科技创新兴趣和能力。

参考文献：

[1]李运模.比较教学法论略[J].中南民族大学学报(人文社会科学版),2000,20(3):125-127.

[2]伍云天,李英民,杨溥,刘立平.中美结构类课程教学比较研究[J].高等建筑教育,2012,21(2):33-36.

[3]何结兵.变形比较法解简单超静定梁的教学方法设计[J].力学与实践,2007,29(2):66-67.

[4]王振科,陈力,王晓东,赵灿,侯钢领.应用MatLab软件探讨结构动力响应时域和频域数值模拟教学[J].高等建筑教育,2017,26(3):119-123.

[5]徐赵东.MATLAB语言在抗震工程中的应用[M].北京:科学出版社,2012.

[6]陈清军,李文婷.结构动力学课程多元化教学方法探讨[J].高等建筑教育,2015,24(2):47-52.

[7]马乐为,吴敏哲,谢异同.基于脉冲频响函数的MATLAB动力方程求解方法[J].世界地震工程,2003,19(2):68-71.

[8]熊森,周桂祥,陈谋.基于MATLAB和传递函数的结构动力响应计算[J].福建建筑,2007(12):34-36.

[11]侯钢领,王炳媛,孙海,宋天舒,潘蓉.AP1000核电站屏蔽厂房BIS-TMD新型结构及其抗震性能研究[C].第十届全国地震工程学术会议,2018.