核电厂整体三维隔震结构体系的理论、应用和设计方法的研究

本研究针对核电厂三维隔震结构体系进行了系统研究，主要内容有：（1）开发三维隔震装置，包括厚橡胶隔震垫和摇摆抑制系统，并提出各自的力学模型；（2）提出三维隔震核电厂的抗震设计方法；（3）修正简化多质点体系，使之能反映竖向地震响应；（4）经分析得到三维隔震核电厂的楼层反应谱；以及（5）考虑到土-结构相互作用和液-固耦合作用在三维隔震体系中的特点，修正规范中的公式，使之适用于三维隔震结构。研究方法主要采用理论分析、数值模拟和试验的方法，采用简化抽象的手段得到适用于设计的简化多质点模型，采用对比的方法验证三维隔震体系的优越性。试验包括隔震装置检测试验，用于得出隔震装置的力学模型，和结构体系振动台试验，用于全面检验三维隔震技术对核电厂的优越性。研究还通过三维有限元模型，对土-结构相互作用和液-固耦合作用进行敏感性分析。

核电工程中应用隔震技术可大幅度提升抗震性能。首先，采用隔震技术可以实现上部结构和内部设备、管道的标准化设计，缩短勘查、设计周期，节省设计费用。其次，隔震技术可以提高结构体系的抗震裕度，降低结构和内部设备、管道对地震动水平的敏感性，有效抵抗超过设防烈度的地震。本项目针对隔震核电厂这种特殊工程进行研究，在常规水平隔震技术的基础上进一步提出竖向隔震，初步建立了三维隔震的基础理论。本研究进行了（1）隔震层参数优化、（2）三维隔震装置、（3）隔震核电厂多质点模型和楼层反应谱，以及（4）土结构相互作用对隔震核电厂抗震性能的影响等五个方面的研究，并对（5）隔震核电厂性态化设计做了初步探索，主要结论如下。.（1）隔震层参数优化：建立了简化理论模型，进行频域分析和时程分析，寻找隔震层的合理参数，核电厂三维隔震系统的水平频率应为0.5Hz以下，竖向频率不宜小于1Hz，建议为3-5Hz为佳。隔震层宜设置一定的粘滞阻尼，水平向和竖向等效阻尼比宜为15-30%。.（2）三维隔震垫的竖向刚度力学模型：研制三维隔震支座，并根据规范要求进行各种检测试验，试验证明，普通橡胶支座的竖向刚度公式不再适用，本研究针对轴压变形进行了修正，可得到更符合试验的竖向刚度计算公式。.（3）简化多质点模型和楼层响应谱：建立简化多质点模型进行时程分析，通过对比三维隔震核电厂、水平隔震核电厂以及非隔震核电厂的楼层反应谱，可知三维隔震技术不仅可以实现水平方向的隔震，而且可以在竖直方向实现核电厂内部设备与管道的隔震。.（4）土结构相互作用分析：在上述分析的基础上，进一步考虑土结作用进行分析，考察软土、硬土和基岩场地上隔震核电厂的地震响应和楼层谱的变化，研究表明软土场地对隔震结构性能有很大影响，而硬土场地虽然有放大作用，但仍可接受。.（5）核电厂的性态设计方法：简要介绍了适用于核电厂基础隔震体系的设计方法，并给出了普通橡胶支座和厚层橡胶支座的设计算例和原型设计结果，初步建立了隔震核电厂结构体系性态化设计方法步骤。.（6）振动台试验：试验表明不同的地震动类型将很大程度上改变结构的响应，尤其对于核电厂三维隔震结构这种重要结构，补充长周期的地震动以丰富地震动类型，将很大程度的提高结构抗震设计的安全性。