图1 CPR1000安全壳剖面
Fig.1 Schematic Diagram of CPR1000 Containment Profile Section
李建波 1,2 ，梅润雨 1,2 ，于 梦 1,2 ，林 皋 1,2
(1．海岸与近海工程国家重点实验室，大连理工大学，辽宁，大连 116024；
2．工程抗震研究所，建设工程学部水利工程学院，大连理工大学，辽宁，大连 116024)
摘 要： 核电站安全壳的安全性和完整性在建造运营期间必须要得到保证，尤其是对于强烈地震和飞机撞击等超设计基准事故。基础隔震作为一种能有效降低上部结构地震响应并防止结构破坏的典型隔震措施，在未来的核电站设计建造中备受关注，因而在核电站隔震系统的建造设计时应考虑大型商用飞机撞击的影响。该文基于CPR1000核电站安全壳，在底板下侧布置了不同型号的高阻尼橡胶隔震支座，从结构的隔震率(DAR)、最大水平位移和加速度反应谱，对安全壳在强烈地震作用下的隔振性能进行了综合分析。并结合采用荷载时程法以 A320商用飞机撞击荷载为例进行飞机撞击核电站安全壳的分析，着重从飞机撞击后的振动衰减过程的振动特性以及飞机撞击诱导振动的加速度反应谱的分析结果对具有隔震构造的安全壳振动规律进行了分析。
关键词： CPR1000安全壳；隔震支座；隔震分析；飞机撞击；振动规律
基础隔震作为一项成熟的技术，在上部结构底部和基础面之间设置隔震装置，形成的柔性隔震层能有效降低上部结构的地震响应。其不仅在地震区的建筑工程、桥梁工程中得到广泛的应用，而且在许多重要的基础设施和大型项目中得到应用。可是迄今为止，由于核电厂隔震设计相关规范的不完善等各方面原因，在核电工程中直接应用隔震技术目前还受到许多限制 [1] 。目前在全世界已经进行商业运行的核电厂中，只有法国的Cruas核电厂和南非的Koeberg核电厂使用了隔震技术 [2] 。然而从核电站的抗震技术的发展来考虑，基础隔震技术是会得到广泛应用的。
从9·11事件后，美国颁布了10CFR50.150等多个规定，指出对于新设计的核电站必须要进行抵御大型商用飞机恶意撞击的评价 [3] 。这就不可避免地对这些设计有隔震结构的核电站进行抗大型商用飞机撞击分析，评价这样的结构在飞机撞击作用下的安全性和稳定性。并且也有相关文献指出了美国 ASCE-4标准(即将制定)和其他相关标准，在进行核电站隔震系统设计时，飞机撞击作为极端外部事件，是必须要评价隔震结构在飞机撞击作用下的安全性 [1] 。
在核电站底板下侧布置隔震系统，降低了核电站结构底部水平向的刚度，虽然能够有效削弱由下部地层中地震荷载对上部核电结构的响应，但是会对在飞机撞击等上部结构的外荷载作用下的整体核电结构产生不利的影响，这主要是体现在撞击过程之后的振动衰减过程。在该过程中有无隔震会对结构的振动响应有着明显的影响，更极端的情况是，在受到足够大的水平撞击力作用下核电站结构会出现倾覆的可能 [4] 。虽然该文献阐述了隔震支座对安全壳位移响应和损伤分布的影响，但没有进一步讨论分析在外部荷载作用下不同隔震支座对安全壳上部结构振动响应的具体影响。
由于飞机撞击同地震荷载作用形式不一样，是在某一方向瞬时将高冲击能量作用在结构上，不仅对撞击区域以及附近的防御结构产生很大的破坏，而且会诱发强烈振动，影响核电站结构的安全 [5] 。因此本文基于CPR1000核电站安全壳，采用了不同水平刚度的高阻尼橡胶隔震支座，首先研究分析了设置有这些隔震支座的核电结构在强烈地震荷载作用下的振动特性，然后结合采用荷载时程法以A320典型商用飞机撞击荷载为例分析研究在飞机作用下的动力响应规律，综合分析研究核电结构的隔震系统和飞机撞击的偶联效应，从而对核电结构隔震系统的设计建造提供可靠的参考。
CPR1000作为“二代加”百万千瓦级压水堆核电技术，其结构混凝土强度等级为C50，主要由底板、筒体和穹顶三部分组成，如图1所示。其安全壳内径为37.00 m，筒体部分高50.11 m，底板底面至穹顶的总高为 66.68 m，筒体壁厚为 0.90 m，穹顶厚度为0.80 m。筒体部分设有两层环向及一层竖向预应力钢束，竖向预应力钢束的上端锚固在环梁的顶面，下端则锚固在安全壳底板上，如图2所示。安全壳混凝土结构内侧还联接有一层6 mm厚的钢衬里，作为防止泄露的整体延性薄膜，钢衬里采用铆钉与混凝土壳紧密连接。
图1 CPR1000安全壳剖面
Fig.1 Schematic Diagram of CPR1000 Containment Profile Section
根据上述的结构几何尺寸，采用 ANSYS/LSDYNA有限元软件建立了有限元模型，如图3所示。混凝土和钢筋采用文献[4]中方法进行分离式建模，钢衬里通过接触算法与混凝土单元进行连接。其中混凝土采用solid164单元，选用了MAT_72R3号材料 [6] ，考虑了混凝土的应变率效应和损伤效应；钢衬里和预应力钢筋分别采用了 shell163单元和link 160单元，均选用的是双线性随动硬化塑性材料模型：MAT_PLASTIC_ KINMATIC [6] ，这三种结构对应的材料参数如表1所示。对于CPR1000安全壳的混凝土，其材料参数为：密度ρ=2500 kg/m 3 ，泊松比v=0.2，单轴抗压强度f c =41 MPa，单轴抗拉强度f t =2.85 MPa。
图2 预应力钢筋
Fig.2 Prestressed reinforcement
图3 CPR1000有限元模型
Fig.3 Finite Element Model of CPR1000
表1 材料参数
Table1 Material parameters
高阻尼橡胶隔震支座(HDRB)是由薄的钢板和橡胶层交叠加，通过橡胶硫化组合一起的一种隔震支座，具有很好的竖向承载力，在水平方向也得有很好的隔震效果，如图4所示。在下文中所示的隔震支座均是指高阻尼橡胶隔震支座。在构建隔震支座的有限元模型时是在三个方向上通过组合弹簧阻尼单元来模拟的，按照隔震支座的双线性模型分别在竖向上采用线性弹簧单元和水平方向上采用的一定组合形式的非线性弹簧单元与粘滞阻尼器单元来模拟 [7] ，如图5所示。
图4 高阻尼橡胶隔震支座(HDRB)的结构示意图
Fig.4 The schematic structure of high damper rubber bearing(HDRB)
图5 双线性模型
Fig.5 Bilinear model
对于隔震支座的选取，在保证隔震支座有良好的竖向支撑能力的基础上，主要取决于两方面的因素：1)将结构的基频降低到一定范围内，通常是远离常见地震动的主要频率范围；2)隔震支座的能量耗散能力，能够有效削弱地震动能量传递到上部结构上 [8] 。在本文中主要是定性的分析设置有隔震支座的安全壳在地震和飞机撞击作用下的振动规律，因此并没有基于相关的规范要求确定出适用于CPR1000安全壳的隔震支座，而是结合这些规范要求选取了6种不同的隔震支座，其主要参数如表2所示，最后结合无隔震组成 7种工况，分别对应case1～case7。
飞机撞击核电站安全壳的过程非常复杂，在撞击期间飞机不同部位的作用破坏形式是不一样的。飞机机身是空腔结构，在撞击过程中会出现非常大的变形，而引擎由于有很高的刚度，撞击时可按照刚体来考虑，因此对应的撞击作用面积和撞击荷载都是随时间改变的 [9] 。
表2 隔震支座参数
Table2 Seismic isolation bearing parameters
目前研究飞机撞击核电站安全壳的问题主要有两种方法：荷载时程分析方法和飞射物－靶体相互作用分析方法 [9] 。本文中采用了荷载时程分析方法来模拟飞机撞击，飞机荷载采用了空客A320飞机在120 m/s的荷载时程曲线，如图6所示。虽然荷载时程分析方法不能像飞射物－靶体相互作用分析方法较真实地反映飞机撞击的过程，且其分析结果也还具有一定的保守性，但是对于研究分析在飞机撞击作用下核电站安全壳结构的整体响应规律时，即分析整体结构在飞机撞击作用下的振动响应以及整体结构的破坏情况等方面时，可以采用该方法 [5] 。
图6 A320飞机荷载时程曲线
Fig.6 The aircraft crash load of A320
对于有限元模型中的荷载，参考了Iqbal等 [10] 的撞击荷载处理模式，将撞击荷载以均布压强的形式垂直作用在安全壳结构上，并将作用区域考虑成圆形，面积为 28 m 2 (φ 6 m)，既简化了分析模式，又能保证结果的可靠性。一般认为在飞机撞击作用下核电站穹顶和筒身的交界处一般是薄弱区域，因此选择了该区域进行撞击分析，其中撞击位置和撞击方向如图7所示。
图7 撞击位置和撞击方向
Fig.7 The location and direction of impact force
设置有隔震系统的结构在地震荷载作用下，结构不同高度之间的层间相对位移相较于无隔震结构基本上是保持不变的，可视作水平刚体运动，另外其加速度响应也比无隔震结构的低 [11] 。
由于安全壳等核电结构内部含有对加速度响应非常敏感重要设备，以及有些安全壳和其他结构之间连接有很多管道等其他对位移响应敏感的结构，在评价隔震支座的隔震性能时，一般也是从这两个角度出发，对安全壳的隔震率(DAR)和最大水平位移进行分析。DAR表示的是无隔震结构加速度响应同隔震结构加速度响应之差与无隔震结构加速度响应的比值，主要用来评价隔震支座对加速度响应的削减能力；最大水平位移表示的是底板的水平向最大位移，按照隔震支座的设计准则是要小于3T e (T e 是单个隔震支座橡胶层总厚度) [11] 。
在进行瞬态动力分析之前首先对 case1～case7对应下的7种模型进行模态分析，其计算结果如表3所示，隔震支座对应的水平刚度同结构第一阶自振频率是相关联的。对于瞬态动力分析，本文中采用了两种不同的地震波作为输入，一种是由RG1.60标准谱造的人工地震波，峰值加速度为0.3 g，参照文献[4]；另一种是Elcentro地震波。
表3 自振频率
Table3 Natural frequency /Hz
如图8所示，从case6～case1，随着自振周期的升高，DAR和最大水平位移均会增长，DAR整体上增长趋势是先快后慢，而最大水平位移则是相反的。在case1工况下，RG1.60对应的x向和y向的DAR分别为65.52%、65.77%，最大水平位移分别为152.70 mm和153.32 mm，均超过了3T e ；Elcentro地震波对应的 x向和 y向 DAR分别为 68.40%、55.15%，最大水平位移分别为 101.65 mm和158.81 mm，y向最大水平位移超过了 3T e 。case2～case6工况下最大水平位移均未超过3T e ，满足相关要求。case6对应的DAR最低，在Elcentro地震波作用下y向的DAR甚至达到了5.64%，隔震效果不是很明显。
图8 case1～case6在不同地震荷载作用下安全壳的穹顶顶点隔震率和最大水平位移
Fig.8 The DAR of the dome vertex and maximum horizontal displacement of case 1 to case 6 under different earthquake loads
图9显示的是RG1.60人工波作用下穹顶顶点的水平向(x、y向)加速度反应谱，结合图7可以分析出，隔震支座的刚度和上部结构的响应是相关联的，隔震支座的刚度越低越能有效降低上部结构的响应。
图9 RG1.60穹顶顶点水平向(x、y向)5%阻尼反应谱
Fig.9 The response spectrum at dome vertex in horizontal direction (x, y direction)under the impact of RG1.60 with 5%damping ratio
目前对核电站安全壳的进行大型商用飞机撞击分析时，对于评价外部防御结构的安全性，例如安全壳，主要是从撞击局部区域混凝土筒体、预应力钢筋等结构在飞机撞击作用下的破坏变形情况来讨论研究安全壳结构是否能够抵御大型商用飞机撞击而不出现大范围破坏或者贯穿等极端情况 [10―12] ，另外对于评价核电站内部设备在飞机撞击诱导振动作用下的安全性，沿用的方法是核电结构进行抗震安全评价时所采用的一般方法，主要是从设备加速度反应谱和绝对累计速度等方面来分析的 [13―14] 。
本文在模拟飞机撞击安全壳时将整个分析过程分为了三部分：静力稳定过程(0.0 s～0.2 s)，飞机撞击过程(0.2 s～0.5 s)和振动衰减过程(0.5 s～3.0 s)，飞机撞击分析过程主要是后两个过程。如上文所述，从图 10也可以看出，有无隔震支座在飞机撞击过程中并不会对安全壳的位移响应有很大影响，然而在振动衰减过程中却是不一样的。
图10 撞击中心点的水平向(x、y向)位移时程
Fig.10 The displacement-time history of the impact center node in horizontal direction (x, y direction)
如图10所示case1和case2这两种工况，安全壳出现了过大的水平位移，其中case1由于水平刚度最低，在后续的振动过程中可能出现了结构倾覆的情况。另外还可以发现，振动位移时程曲线不仅在某个平衡位置附近往复晃荡而且曲线自身还有小幅波动存在。这主要是因为在振动衰减过程中，飞机撞击一方面会使得安全壳结构自身产生振动，另一方面由于隔震支座产生变形会导致整体结构出现晃荡。可以发现这样结构的振动特性同无隔震结构是有显著差别的，无隔震结构是以结构自身的振动为主，隔震结构以结构的晃荡为主。
类似于简谐运动，图 10所示的振动位移曲线是可以通过振动周期、振动振幅、振动平衡位置这三方面的特征变量来反映的。由于安全壳结构不同部位在撞击作用期间差异较大，在自由振动衰减过程振动衰减规律差异不大，只是数值会有所差别，因此只展示了撞击中心节点的位移时程。由于阻尼的影响，在振动衰减过程中振动能量会渐渐耗散的，振动振幅会越来越小，因此对应分析了振动衰减过程第二个周期内的自振周期、自振振幅和自振平衡位置随着自振周期的变化规律，如图11所示。由于case1和case2由于出现较大位移无法展示其振动规律，在后续分析其振动规律时将不再考虑。
图11 穹顶顶点和底板点在振动衰减过程的振动特性
Fig.11 The vibration characteristics of the dome vertex and the base mat during the vibration attenuation process
从图 11的穹顶顶点和底板点在振动衰减过程中的振动特性可以看出，两点对应的平衡位置和振幅的变化规律比较接近，各个工况的结构自振周期接近于该工况下结构的第一阶振动周期。由于底板下侧同隔震支座紧密相连，底板整体上可看成一个刚性结构，底板点的振动特性在一定程度上是能反映隔震支座的变形情况，其中底板点的平衡位置反映了隔震支座的屈服变形程度。
穹顶顶点和底板点这两不同点的自振平衡位置相差不大，这也同样反应了安全壳在做水平刚体运动。case7～case3，隔震支座的自振振幅处在一个比较小的范围内，均未超过25 mm。同自振振幅变化规律相比，虽然自振平衡位置也处在一个比较小的范围内(40 mm)，但是其变化规律则是有明显的不同，在一定范围内没有明显增长(case7～case6)，超过这个范围后随着自振周期的增大而有显著的增大(case6～case3)，甚至在case2和case1这两种工况则出现了过大水平位移情况。
单纯从隔震支座的隔震性能来看，case2既能有效削弱地震荷载对上部结构的影响，又能保证上部结构的稳定性而不出现过大的水平位移。然而在飞机撞击作用下却不能保证安全壳结构的安全稳定。结合图8、图 10和图11，隔震支座的水平刚度在一定的范围内时，即对应于case3～case1，隔震支座的变形相比较地震荷载更易受飞机撞击的影响。由于还存在比本文中所列出的撞击荷载冲量还要大的飞机撞击荷载，因而在隔震支座的选取时应综合考虑两相关因素的影响。
NEI 07-13 Rev.8 [15] 中规定对于核电设备在飞机撞击作用下的加速度反应谱应是滤掉 200 Hz以上的频率，但是结合本文所研究的问题，只考虑了100 Hz以内的频率成分。由于x向和y向反应谱规律非常相似，只展示了撞击位置中心节点和穹顶顶点x向的加速度反应谱，并对撞击作用过程和自由衰减振动过程的加速度反应谱进行了单独的分析，如图12和13所示。
在飞机撞击作用期间，核电结构的加速度响应同该点离撞击区域中心点的距离有关，离得越近加速度响应则越大，并随着距离的增加会有非常明显的衰减 [8] ，可以从图12和图13看出。无论是撞击中心点还是穹顶顶点，有隔震的 6种工况(case1～case6)加速度反应谱整体上无较大差异，除了穹顶顶点case5在100 Hz以后的情况。无隔震的工况case7同有隔震的相比，撞击位置中心节点对应的加速度反应谱在40 Hz以前基本上保持一致，最大加速度反应谱峰值都达到了 170 m/s 2 ，但是在40 Hz之后，是明显高于其他6种工况。而对于穹顶顶点的加速度，由于其离撞击中心点有一定距离，所有工况的加速度反应谱整体上低于撞击中心点，并且无隔震的加速度反应谱整体上大于有隔震，最大只达到了28.9 m/s 2 。
对于振动衰减过程，其反应谱的变化规律同撞击过程是有明显不同的，不同工况的反应谱变化规律均不一样，主要是跟不同工况下安全壳自身结构相关。整体上不同部位的加速度反应谱变化规律也有相似性，case4～case7对应的撞击中心点和穹顶顶点加速度反应谱值均都在第一阶自振频率值附近出现了峰值，并且峰值是随着自振频率的增大而显著增大的。case7在第一阶自振频率处出现最大加速度反应谱峰值，在撞击中心点处是 22.94 m/s 2 ，穹顶顶点处是31.46 m/s 2 。
图12 撞击中心点在飞机撞击过程和振动衰减过程的x向加速度反应谱
Fig.12 The acceleration response spectrum in x-direction of the impact center node in the process of aircraft impact and vibration attenuation
图13 穹顶顶点在撞击过程和振动衰减过程的x向加速度反应谱
Fig.13 The x-direction acceleration response spectrum of the dome vertex in the process of aircraft impact and vibration attenuation
本文建立了三维 CPR1000核电站安全壳有限元模型，对具有隔震构造的核电站安全壳在强烈地震和飞机撞击作用下的振动响应规律进行了综合分析，得出了以下结论。
(1)由于飞机撞击作用形式和地震荷载作用形式不一样，隔震支座的水平刚度在一定的范围内时，其剪切变形更易受飞机撞击的影响，即在同等边界条件下飞机撞击作用会比地震荷载作用产生更大的变形，从而造成安全壳结构的失稳。
(2)具有隔震构造的安全壳在飞机撞击作用下的振动响应和地震荷载作用下的振动特性有一定的差异性。在飞机撞击过程中，有隔震构造的安全壳不同部位加速度响应无较大差别，整体上无隔震构造的加速度反应谱是包络了有隔震的。在振动衰减过程，安全壳的振动规律同结构的构造形式有关。
(3)对于核电站安全壳隔震系统的设计，要综合分析隔震结构的抗震和抗大型商用飞机撞击的能力，保证核电结构的安全性和稳定性。对于分析隔震结构抗大型商用飞机撞击的能力，应当考虑不同吨位飞机的撞击影响。
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LI Jian-bo 1,2 , MEI Run-yu 1,2 , YU Meng 1,2 , LIN Gao 1,2
(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China;2.Institute of Earthquake Engineering, Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, Liaoning 116024, China)
Abstract: The safety and integrity of nuclear power plant (NPP)containments must be guaranteed during the plant’s lifecycle, especially in the event of severe earthquake and aircraft crashes.Base isolation, as a seismic isolation measure which can effectively reduce the seismic responses of the superstructure and prevent structural damage, draws much attention in the design and construction of nuclear power stations both at present and in the future.Therefore, it is necessary to consider the impacts of large commercial aircraft on the containment in the design of isolation systems for nuclear power plants.This paper studied and analyzed the isolation performance from decreasing amplitude ratio (DAR)and the maximum horizontal displacement of the containment on the basis of the CPR1000 containment with different types of high damping rubber bearing installed under the base mat.Moreover, it also conducted safety assessment of the containment with seismic isolation combined using the loadtime history method with taking the impact load of A320 commercial aircraft as an example.The primary results of the aircraft impact focused on the vibration characteristics of the vibration attenuation process and the acceleration response spectrum of the aircraft impact induced vibration processes.
Key words: CPR1000 containment; isolation bearing; isolation analysis; aircraft impact; vibration law
VIBRATION RESPONSE ANALYSIS OF ISOLATED NUCLEAR CONTAINMENTS UNDER SEVERE EARTHQUAKE AND LARGE COMMERCIAL AIRCRAFT CRASH IMPACTS
林 皋(1929―)，男，南昌人，教授，博士，院士，主要从事地震工程及结构抗震方面的研究(E-mail: gaolin@dlut.edu.cn).
于 梦(1993―)，女，大连人，硕士生，主要从事核电结构抗震分析和安全评价的研究(E-mail: seven_5_27@mail.dlut.edu.cn);
作者简介：
梅润雨(1991―)，男，黄冈人，博士生，主要从事核电结构抗震分析和安全评价的研究(E-mail: meirunyu@mail.dlut.edu.cn);
基金项目： 国家重点研发计划项目(2016YFB0201000)；国家自然科学基金项目(51779222)；国家自然科学基金委创新研究群体项目(51421064)；中央高校基本科研业务费项目(DUT17LK16)
通讯作者： 李建波(1977―)，男，邢台人，副教授，博士，主要从事核电结构及水工结构抗震方面的研究(E-mail: jianboli@dlut.edu.cn).
文章编号： 1000-4750(2018)09-0081-08
收稿日期： 2017-05-08；修改日期：2017-11-08
文献标志码： A
doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2017.05.0335
中图分类号： TL364+.3