-
伴随着社会对于能源需求快速持续的增长和国家“十三五”启动的核电重大专项规划编制工作的开展，国内核电事业已经由全面进口到推进设计自主化研究，核电所占电能比例将迅速增长。但核电厂的事故具有辐射性，对于社会的影响极其重大，因此核电厂应具有极高的抗震能力[1]。受施工技术和地理条件的制约以及核电厂常规岛主厂房的荷载分布和变形分布不均匀，导致其抗震能力一般。国内核电站常规岛主厂房一般仍遵循民用抗震要求中的“三水准，两阶段”的设计准则进行抗震设计，但传统的抗震设计方法是一种基于承载力加简单的变形构造措施为主的设计思想[2]。该设计思想主要是保证建筑物在大地震来临时不会立即倒塌以保证建筑物内的人员能安全逃离。但常规岛主厂房工作人员较少，设备价值远超过建筑本身造价，且常规岛抗震能力更会影响到核岛的安全性。因此，常规岛主厂房的抗震设计要求应该采用更高的标准，在抗震设计中应采用基于结构变形的设计方法，能够在确保人员安全的情况下同时保障常规岛主厂房内的贵重设备在大震情况下不至于遭受到较大的损失。
本文针对常规岛主厂房的变形特点，在小震，中震和大震作用下，以有限元软件SAP 2000为数值模拟工具对常规岛主厂房整体的变形性能进行静力弹塑性分析与动力时程分析，明确结构的破坏模式，以正确评估常规岛主厂房的整体抗震变形性能。
HTML
-
基于变形的抗震理论是当前国外最先进的抗震思想，抗震研究领域领先的美国、日本、新西兰、欧洲的抗震设计规范目前已经由传统基于承载力设计方法转变为基于变形的抗震方法[3]。为了保证常规岛主厂房内的工作人员安全和贵重设备安全，因此本文也将采用基于变形的抗震设计方法。基于变形的抗震设计方法的特点是：使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡，业主和设计人员可选择所需的变形目标；抗震设计中更强调实施变形指标的深入分析和论证，通过论证可以采用现行规范中还未明确规定的新结构体系、新技术与新材料；有利于针对不同抗震设防烈度、场地条件及建筑的重要性采用不同的变形指标和抗震措施。基于变形的抗震设计流程图如图1所示。
Figure 1. Flowsheet of Deformation-Based Seismic Design
参照《火力发电厂土建结构设计技术规定》[4]可知，在常规岛主厂房抗震变形计算中，结构应满足《核电厂抗震设计规范》[5]中对层间位移角限值的相应要求。但是常规岛主厂房结构内部有很多运输管道和汽轮机等设备，这些管线和设备的结构高度不在同一平面上，且厂房中楼板有些地方根据设备设置需求进行了大面积开洞，造成常规岛主厂房不能根据一般方法确定结构层次[6]，所以在结构变形计算中，把常规岛主厂房整体结构当成一个结构层，层间位移角定义为常规岛主厂房屋顶的侧移与常规岛主厂房高度的比值(称为“整体层间位移角”)，在综合考虑工程情况与设计人员的从业经验后，对常规岛主厂房的整体变形指标定为如表1所示。
地震水准 小震 中震 大震 整体层间位移角 
Table 1.
Index of Global Machine Hall Story Drift Angle
-
由于常规岛主厂房与传统工业厂房的结构存在一定差异，为了体现其在动力学上的特点，结构的承载力及变形计算均采用静力弹塑性分析法和动力时程分析法进行分析。本文采用有限元软件SAP 2000对常规岛主厂房进行整体建模，常规岛主厂房整体模型图如下图2所示。
Figure 2. Model of Conventional Island Main Plant
-
在实际建模中，梁、柱、山墙等重要构件按截面偏心设定。
梁柱构件间节点大部分按照铰节点设定以释放自由度外，个别节点根据实际情况采用刚接。
为了输入风荷载、屋面恒载、活载及墙自重荷载等面荷载，在模型中采用不考虑质量与刚度的壳单元用于输入上述面荷载。同样定义不考虑质量和刚度的虚梁用于输入楼面荷载[7]。
框架结构中重要构件的混凝土均选用强度为C40的混凝土，楼板的混凝土选用强度为C30的混凝土；对于梁和柱构件，主筋选用强度为335 MPa的二级带肋钢筋，箍筋选用强度为235 MPa的一级光圆钢筋。
-
地震波的选取须兼顾结构动力反应的特征和地震波的特性。参阅《建筑抗震设计规范》[8]可知，地震波的选取应满足以下条件：(1)原则上选择的地震波的持续时间要长，最好是结构自振周期的5倍；(2)地震强度主要由地面运动的加速度峰值的大小来确定，地震波的频谱特性由地震波的主要周期来确定，因此选择地震波的时候不仅要使峰值加速度与设防等级相当，而且要使地震波的主要周期与场地的卓越周期相接近；(3)采用时程分析法时，应按照建筑的场地类别和设计地震分组至少选用两条实际强震记录波和一条人工模拟波。
综上所述，本文采用了5条符合《建筑抗震设计规范》规定的地震波，这5条地震波为：Whittier Narrows(以下表格中均称为波1)、EI centro(以下表格中均称为波2)、Northbridge(以下表格中均称为波3)以及2条人工模拟波(以下表格中均称为波4、波5)，本文地震波按纵向和横向进行地震输入。
-
本文选用有限元软件SAP 2000进行静力弹塑性分析计算(PUSHOVER方法)。本文的地震波是按照纵向和横向两个方向进行输入，以下图3、4即为两个方向的PUSHOVER分析结果。
Figure 3. PUSHOVER Analysis of Longitudinal Wave Under Severe Earthquake
Figure 4. PUSHOVER Analysis of Transverse Wave Under Severe Earthquake
2.1 整体建模参数的设置
2.2 地震波选取
2.3 静力弹塑性分析
-
由PUSHOVER法分析可知，小震下结构整体的变形仍在弹性范围内，所以在线弹性阶段对结构整体变形进行动力时程分析。
在结构中楼板只占整体结构的一小部分，因此将楼板设为刚性的假设并不适合本模型。结构中构件的抗震等级和特别规定(角柱等)要严格遵循规范设定，以便程序自动调整相关系数，结构的主要系数如表2所示。
结构分析系数 数值 梁端弯矩调幅系数 0.70 梁弯矩增大系数 1.00 边梁刚度增大系数 1.20 中梁刚度增大系数 1.50 Table 2.
Structure Analysis Coefficient Under Small Earthquake in SAP 2000 -
在横向和纵向地震作用下，整体层间位移角如表3所示。
方向 波1 波2 波3 波4 波5 均值 横向 
纵向 
Table 3.
Story Drift Angle of the Total Structure Under Small Earthquake 由表3可以看出，常规岛主厂房结构整体在小震作用下，不论是横向地震作用还是纵向地震作用下的层间位移角平均值远小于表1所示的整体层间位移角限值(1/1 100)，故整体结构的设计满足要求。
-
抗震等级在SAP 2000中设定为四级，不对结构构件做特殊处理，设定分析程序不按照规范自动调整分析系数，其它主要的结构分析系数如表4。
结构分析参数 数值 梁端弯矩调幅系数 0.80 梁弯矩增大系数 1.00 边梁刚度增大系数 1.20 中梁刚度增大系数 1.50 Table 4.
Structure Analysis Coefficient Under Moderate Earthquake in SAP 2000 -
由PUSHOVER法分析可知，中震下大部分结构的变形仍在弹性范围内，只有小部分进入弹塑性范围，所以在弹塑性阶段对结构整体变形进行动力时程分析。
在横向和纵向地震作用下，整体层间位移角如表5所示。
方向 波1 波2 波3 波4 波5 均值 横向 
纵向 
Table 5.
Story Drift Angle of the Total Structure Under Moderate Earthquake 由表5可以看出，常规岛主厂房结构整体在中震作用下，不论是横向地震作用还是纵向地震作用下的层间位移角平均值远小于表1所示的整体层间位移角限值(1/580)，故整体结构的设计满足要求。
-
常规岛主厂房结构在在大震作用下的有限元模型中对地震内力组合系数和分项系数应不予考虑，且材料、荷载作用的分项系数和抗震承载力调整系数应同样不予考虑。对结构分析时梁单元应不考虑重力二阶效应，但柱单元和侧向支撑应予考虑。材料在输入时按标准值取值。
抗震等级在SAP 2000中设定为四级，不对结构构件做特殊处理，设定分析程序不按照规范自动调整分析系数，其它主要的结构分析系数如表6。
结构分析参数 数值 梁端弯矩调幅系数 0.85 梁弯矩增大系数 1.00 边梁刚度增大系数 1.25 中梁刚度增大系数 1.60 Table 6.
Structure Analysis Coefficient Under Severe Earthquake in SAP 2000 -
由PUSHOVER法分析可知，大震下结构整体大部分变形进入弹塑性范围。
在横向和纵向地震作用下，整体层间位移角如表7所示。
方向 波1 波2 波3 波4 波5 均值 横向 
纵向 
Table 7.
Story Drift Angle of the Total Structure Under Severe Earthquake 由表7可以看出，常规岛主厂房结构整体在大震作用下，不论是横向地震作用还是纵向地震作用下的层间位移角平均值远小于表1所示的整体层间位移角限值(1/300)，故整体结构的设计满足要求。
3.1 小震下的结构变形分析
3.1.1 小震下结构分析系数的设置
3.1.2 小震下的结构变形分析
3.2 中震下的结构变形分析
3.2.1 中震下结构分析系数的设置
3.2.2 中震下的结构变形分析
3.3 大震下的结构变形分析
3.3.1 大震下结构分析系数的设置
3.3.2 大震下的结构变形分析
-
1)相较于传统的基于承载力的抗震设计方法，本文采用的基于结构变形的抗震设计方法更能够保证常规岛主厂房内的工作人员和贵重设备在大震作用下的安全。
2)通过有限元软件SAP 2000对常规岛主厂房进行静力弹塑性分析和动力时程分析，能够获得常规岛主厂房结构在不同地震水准作用下整体层间位移角。
3)常规岛主厂房结构整体在小震作用下，不论是横向地震作用，还是纵向地震作用下的层间位移角平均值远小于设定的整体层间位移角限值(1/1 100)。
4)常规岛主厂房结构整体在中震作用下，不论是横向地震作用还是纵向地震作用下的层间位移角平均值远小于设定的整体层间位移角限值(1/580)。
5)常规岛主厂房结构整体在大震作用下，不论是横向地震作用还是纵向地震作用下的层间位移角平均值远小于设定的整体层间位移角限值(1/300)。
DownLoad:
