考虑土-结构相互作用效应的核电厂隔震研究

The goal of the project is to improve the seismic performance of Nuclear Power Plants (NPPs) by using base isolation. The main topic is dynamic response and vibration control of seismically-isolated NPPs under three-component seismic excitation. The contents include: (1) Compare lumped-mass stick model and detailed 3D model in solving seismic response of Structures, Systems, and Components (SSC) in NPP, and give a method of setting models for isolated NPPs. (2) Establish a numerical method for nonlinear Soil-Structure Interaction (SSI) analysis of isolated NPPs, and study the SSI effects on seismic response of SSC （including equipments and piping systems）in isolated NPPs. (3)Shaking table test of an isolated NPP model including dynamic SSI system, study the seismic behavior and isolation effectiveness of the NPP model on soft, moderate hard and rigid soil foundation. (4) Effects of characteristic parameters of isolation systems on dynamic response of SSC in NPP, propose a method to set up isolation systems to reduce the response of SSC, focus on the coupling effects of horizontal and vertical response of structures, and control the vertical response. The above research provides important theory for the safety of nuclear energy, enhances the domestic independent innovation in the field of aseismic nuclear structures, and helps to implement the policy of "New NPP projects should be in accordance with the highest safety standards in the world".

本项目以采用基底隔震提高核电厂的抗震性能为总体目标，研究考虑土-结构相互作用（SSI）效应时核电厂隔震结构、系统和部件（SSC）的地震响应及控制方法，内容有：比较核电厂隔震结构多质点体系模型与精细三维模型在反应SSC地震响应方面的不同，探索核电厂隔震结构分析模型的建立方法；建立适用于核电厂隔震结构非线性SSI分析的数值方法，研究SSI对核电厂SSC（包括设备和管线系统）地震响应的影响；进行土与核电厂隔震结构相互作用体系振动台模型试验，研究软土、中硬土和刚性地基上核电厂隔震结构的地震反应特性和隔震效果；研究隔震体系的特征参数与SSC地震响应之间的联系，寻求通过调整隔震体系的特征参数来控制SSC地震响应的方法，特别是控制竖向响应的方法。以上研究为核电能源安全提供重要的技术支撑，提升我国在核电厂抗震研究这一领域的自主创新能力，并有助于"按照全球最高安全要求新建核电项目"这一政策的实施。

现阶段我国大力发展核能，但基底隔震技术在核电领域应用较少。本项目以采用基底隔震提高核电厂的抗震性能为总体目标，研究了考虑土-结构相互作用（SSI）效应时核电厂隔震结构、系统和部件（SSC）的地震响应及控制方法，为我国核电结构采用隔震技术和选址等提供技术及数据支撑，提升我国在核电厂抗震研究领域的自主创新能力，并有助于“按照全球最高安全要求新建核电项目”政策的实施。首先，以第三代核反应堆AP1000核电厂结构为原型建立了精细三维模型和多质点体系模型，两种模型在三向地震作用下SSC地震响应存在一定的差异。其次，对核电结构采用时域和频域分析的计算结果进行了对比，提出了适用于核电厂隔震结构非线性SSI 分析的频域和时域方法，并建立核电模型进行结构分析，发现SSI效应对上部结构水平楼层加速度反应谱有明显影响。改变土层剪切波速研究了土层特性对采用铅芯橡胶支座的核电厂隔震结构影响。然后，按1：40比例制作AP1000模型进行了考虑相互作用效应的核电厂隔震结构振动台试验，分别从单向与三向地震激励、土性地基与刚性地基、隔震与非隔震等角度对核电厂隔震结构的地震响应特性进行了分析，研究了水平与竖向响应的耦合效应、SSI效应对隔震结构地震响应的影响以及SSI效应对支座隔震效果的影响等。最后，对比分析了隔震支座滞回特性优化的方法。建立核电厂数值模型，通过改初始刚度、屈服刚度以及屈服力研究了变隔震体系的特征参数对核电厂结构、系统和部件（SSC）的地震响应的影响，得到了AP1000隔震结构的性能空间曲线用于指导隔震设计，以及提出了竖向响应的控制方法和隔震区与非隔震区连接管线的安全性控制策略。