CARR堆反应堆厂房土壤_结构相互作用与楼层反应谱分析_荣峰

核 动 力 工 程

Nuclear Power Engineering

第27卷 第5 期 2 0 0 6 年10月

V ol. 27. No.5 Oct. 2 0 0 6

文章编号：0258-0926(2006)05-0019-05

CARR 堆反应堆厂房土壤-结构相互作用与

楼层反应谱分析

荣 峰1，

3，汪嘉春2，何树延2，董占发3

（1. 天津大学，300072；2. 清华大学核能技术研究院，北京，100084；3. 核工业第四研究设计院，石家庄，050021）

摘要：土壤-结构动力相互作用(SSI)分析及楼层反应谱(FRS)计算是中国先进研究堆(CARR)工程抗震设计的重要环节。本文采用直接法，通过建立二维土壤-结构共同工作计算模型，并分3个方向进行地震动输入，考虑土壤-结构相互作用对反应堆厂房地震反应进行分析，计算出厂房基础部位和各楼层在不同工况下的地震反应及楼层反应谱。

关键词：反应堆厂房；地震反应；土壤-结构相互作用；计算模型；反应谱 中图分类号：TL35 文献标识码：A

1 引 言

对于非岩石地基土，结构物基础面的运动会受到土壤-结构动力相互作用的影响。这种影响主要来自两个方面：地基土壤的能量辐射效应与结构物基础的散射效应[1]。由于非岩石地基土与岩基在上述两方面的效应有显著差别，对结构反应无论在反应幅值或频谱特性方面均有重要的影响，因而，也对工程结构的抗震分析产生影响。我国核电厂抗震设计规范中规定，对于地基土平均剪切波速不大于1100m/s 的地基，应计入土壤与结构的相互作用。

本工程上部结构刚度较大，地基持力层一定深度范围内土体剪切波速小于1100m/s ，因此，需考虑土壤-结构相互作用(SSI)对厂房结构地震反应的影响进行抗震分析。本文采用直接法中的一步法(国内核电厂抗震分析多采用集中总参数法)，在进行土壤-结构耦合动力相互作用的分析时，同时得到结构的楼层反应谱。分析时建立二维土壤-结构共同工作计算模型，分3个方向(两个水平方向和垂直方向)进行地震动输入分析，同时考虑了土体参数不确定性的影响，计算出厂房基础部位和楼层在不同计算工况下的地震反应，取包络结果作为下一阶段的计算输入。把计算的结果经过包络、拓宽和平滑，最后得到厂房在不

同楼层高度处符合核法规要求的设计楼层反应谱。

2 结构与参数

2. 1 反应堆厂房结构概述

CARR 堆反应堆厂房为多层钢筋混凝土结构物，地下一层，地上三层，平面呈矩形(36m×36m)，为核安全级、抗震Ⅰ类钢筋混凝土密封厂房。反应堆堆本体座落在厂房中心部位堆水池中，圆形钢筋混凝土池壁同时也作为厂房内部结构各楼层的支承构件。

2.2 工程地质条件及土层参数

CARR 堆址地基土呈层状分布，厂房基础座落在卵石层上。本文采用堆址岩土工程详细勘察报告中提供的钻孔勘测与试验的结果。 土层的非线性本构关系确定：①通过现场土层剪切波速的测定，确定土层的最大剪切模量G max ；②通过室内动三轴试验确定剪应变与剪切模量比及阻尼比的关系(土层动力参数)。试验测得卵石层土样的剪切模量比G /G max 、阻尼比D %与剪应变γ关系如图1所示。由图中可以看出土壤的动力非线性本构关系。

2.3 地震动参数

设计地震动参数采用厂址地震安全性评价及

收稿日期：2005-10-26；修回日期：2006-06-06

核动力工程V ol. 27. No. 5. 2006 20

设计基准地震动参数确定时给出的人工时程的合成结果。本文考虑土壤-结构动力相互作用分析非自由场地震动力响应与厂房结构的楼层谱，为此使用了人工地震动时程的计算成果。

计算时采用地基埋深12m处的自由场土层地震反应作为基岩面的地震动输入。

3 分析方法、计算机程序及遵循标准

3.1 分析方法

(1)考虑土壤-结构相互作用(SSI)对厂房结构地震反应的影响进行分析，计算出厂房基础部位和楼层在不同计算工况下的地震反应，取包络结果作为下一阶段的输入运动。采用直接法中的一步法，即进行土壤-结构相互作用的动力分析时，同时得到了结构的楼层谱。

(2)建立二维计算模型，并分3个方向进行地震动输入分析，同时考虑土体参数不确定性的影响。厂房结构质量、刚度基本对称，每个方向的楼层反应谱可根据该方向的地震反应直接确定。把计算的结果经过包络、拓宽和再生成，最后得到厂房在不同楼层高度处的设计楼层反应谱。根据设计楼层反应谱，拟合生成符合IEEE344要求的5%阻尼比时程，用于反应堆本体的动力分析。

3.2 计算机程序

自由场计算、土壤-结构相互作用分析采用FLUSH程序，人工时程生成用GGM程序。上部结构动力反应和内力用两步法分析，先用FLUSH 程序计算出基底等效地震动输入，然后采用Algor 及ANSYS程序进行下一阶段结构内力分析。3.3 遵循标准

主要参照的标准：GB50267-97《核电厂抗震设计规范》[2]；GB/T16702-1996《压水堆核电厂核岛机械设备设计规范》[3]；有关核安全法规及导则[4～8]；美国ASCE 4-86[9]；美国NRC SRP3.7.2[10]。

4 分析模型

4.1 地基模型

按ASCE 4-86标准要求，土体下边界至基础底面的距离应大于两倍基础宽度，或取土层下边界位于剪切波速大于1100m/s的岩层上。我国核电厂抗震设计规范规定剪切波速大于700m/s即可作为基岩面。根据工程地质、地震动有关参数，在自由场的计算中，为了与同址另一反应堆工程计算保持一致，土体下部刚性边界取至-15.5m、剪切波速大于700m/s的砂岩上。地基模型为水平层状粘弹性-等效线性土壤模型，层状土壤的下卧层为刚性基面，土壤材料阻尼采用常滞回复阻尼描述，并以等效线性化方法考虑强震时在土壤中出现大剪切变形导致大的非线性效应。土层用二维平面应变有限单元离散，在土壤切片平面内的两个表面上设置粘性边界，使垂直于切片方向的辐射波能由粘性边界吸收；土体模型的两端设置传递边界(The Transmitting Boundary)，以传递从结构发出的辐射波效应，从而起到模拟延伸土层的作用。该模型是二维的(近似三维)，但其满足了三维地震相互作用高质量分析的主要要求。

土体单元的竖向尺寸取决于波长或剪切波速和选用的截止频率。程序要求h≤·λ/5 =V s /(5f cut)。式中，h为土体单元的竖向尺寸，m；λ为波长，m；V s为土体剪切波速，m／s；f cut为选取的截止频率，Hz(按ASCE4-86标准要求可取为25Hz)。根据各土层剪切波速的不同，土体竖向共分31层(10×0.31m，1×0.4m，4×0.5m，15×0.62m，1×0.7m)。土体单元的水平尺寸可取为高度的3～5倍，厂房基础底板尺寸为36m×36m，在每个方向排12列单元(ASCE4-86要求至少排8列单元)，单元宽度满足要求。土体两侧边界采用人工传递边界模拟有限元范围以外的半无限粘性水平成层土壤系统的精确动力效应，为了满足非线性土壤参数迭代要求，程序建议传递边界设在边缘1～3个单元处，经试算后在结构边缘设置3列单元，再加传递边界。

整个土体采用18列、31层有限元模拟，计算分析的截止频率为34Hz。计算中采用一组人工标定的土层进行分析，计算的条件与人工标定的土层的差别比较小。

图1 G/G max、D%与γ关系曲线Fig. 1 Curves of G/Gmax-γand D%-γ