核遏制结构的新型结构地震隔离

抽象的

新的结构地震隔离系统（SSIS）打算为核电站，海上石油平台和近乎故障和长期地震等重要建筑物提供高安全性。所呈现的SSIS结构脚基和基础接触表面设计为任何弯曲表面（球形，椭圆形等），取决于地震 - 土壤上层结构参数，这些接触表面通过使用弹性体（铅芯橡胶或）分离层压橡胶轴承最多4秒）地震隔离装置。它可以允许向结构提供逆钟摆行为。由于这种行为，结构的自然周期将具有更大的间隔，这些间隔大于大多数可能的地震的主要时间，包括近故障区域。因此，该结构可以在发生强度和长期地震发生后保持其可用性。本研究调查了SSIS对核遏制（SSIS-NC）结构的表现。已经开发了SISS-NC结构的有限元模型，并且在强大和长期地面动作下进行了模型的非线性动态分析。与核容积（CAMSBID-NC）和固定基础核容积（FB-NC）结构的地震基底隔离装置的常规应用方法相比，已经提出了结果。SSIS-NC结构的基础和顶部加速度，有效应力和临界剪切应力响应分别比Camsbid-NC结构的平均低48.67％，36.70％和32.60％。 The result also confirms that the SSIS-NC structure did not cause resonant vibrations under long-period earthquakes. On the other hand, there is excessive deformation in the isolation layers of CAMSBID-NC structure.

1.介绍

地震底座隔离被指示为保护结构对强烈地震的可靠工具[1，2，世界各地有7000多座抗震隔离建筑。另一方面，活跃的地震隔离核电站的数量非常少(只有6座)，而且它们位于低地震风险地区。所有反应堆均为压水堆，其中四个位于法国Cruas Meysse，其余两个位于Koeberg(南非)[3.］.地震隔离有限使用的主要原因是核电站建设的衰落与2010年至2010年的衰落，地震危害风险低的地区的NPPS建设，以及缺乏具有地震隔离系统的NPPS设计的适当代码/标准[4］.对NPPS的地震隔离系统稀疏使用的另一个原因可能与水反应器是最常见的事实，这是含有刚性内部组分的僵硬结构，其具有足以克服低地面运动（0.1g峰值）[5］.在过去的二十年中，各种机构，如美国土木工程师协会公布了关于核结构的分析，设计和安全问题的代码，称为ASCE 4-16 [6];旧版本已纳入ASCE 43-05 [7］.基于该代码，建议弹性体（低阻尼和铅橡胶）和摩擦摆滑隔离器用于核设施的地震保护[4］.法国核蒸汽系统供应设备建设规则，AFCEN协会，使用弹性体轴承制定基底结构设计的规定[8］.韩国原子能研究所的目标是为地震基础隔离的核电站结构制定抗震设计标准[3.］.

福岛第一核电站的核灾难显示，核电站在强烈地震中不堪一击，造成严重人员伤亡和环境问题[9］.有几项关于核设施的地震隔离的研究。例如，Ostrovskaya和Rutman提出了一种用于核电站结构抗震保护的支撑摆隔震系统;该系统旨在利用摆杆和塑料阻尼器隔离振动和冲击[10.］.Whittaker等和Medel-Vera等对核电站地震防护的研究也值得注意[4，11.，12.[作为在英国地震孤立的核电厂开发地震设计标准的努力。Kasimzade等人。[13.- - - - - -15.]提出并开发了一种名为结构地震隔离系统（SSIS）的新的结构地震隔离系统，反对强度和长期地震地面运动，旨在消除常规弹性体（铅橡胶或层压橡胶）底座的限制和脆弱性 -相同激励的孤立的结构[16.］.SSIS系统提供了将结构的自然周期保持在一个更大的间隔内的可能性，该间隔大于大多数可能发生的地震(包括近断层脉冲)的主要周期，使用目前现有的传统弹性隔震器，其周期可达4秒。在这项研究中,针对核安全壳基础隔震装置(camsbidd - nc)与核安全壳基础隔震装置(camsbidd - nc)与核安全壳基础固定隔震装置的常规应用方法，对球形结构底座与基础接触面的核安全壳基础隔震装置(SSIS- nc)的动力性能进行了有限元模拟(FB-NC)结构。

1.1。SSIS的基础知识

SSIS的主要目的是使结构的周期超过地震的周期。这一目标是通过建筑结构脚的基础来实现的，并且基础接触面被设计成任何曲面(球面，椭圆，根据地震-土-上部结构参数，采用弹性橡胶(铅芯橡胶或层合橡胶支座)隔震装置将接触面隔开。它可以使曲面结构的基座通过橡胶支座接触，围绕回转中心转动，并保持与上部结构相似的行为。这将允许构造克服强地震，包括长周期和近断层脉冲。采用球形结构底板和基础接触面的SSIS控制方程及数学模型(见图)1)已呈报如下[13.- - - - - -15.]： 和 (在哪里米]、[c]， 和 [k]分别是上层建筑的质量，瑞利阻尼和刚度矩阵，由FEM组成[17.］.u是变形状态的上部结构的相对位移矢量。和ü.是速度和加速度矢量分别。为地震力: 和

这里，φ表示旋转中心周围的绝对刚性结构的旋转角度，是地面运动励磁，F_c0=c_bρ₂φ总阻尼是多少F_kb是部署在SSIS中的地震隔离器的总刚度力，其具有总阻尼系数和球形半径（ρ₂）.F_c，_eq.=c_dρ₂ 表示外部阻尼器的等阻尼力之和，其中包含c_d（阻尼系数），和φ是等式的解决方案（2)：

这里，h_我（我=1，n)是z上层尘的距离我- 质量米_我来自环绕中心;米_0j和h_0j（j=1，米）是SSI的地下部分的类似参数。上部结构底座的横向位移是指示的u_b这与基础的接触表面相关。u_y代表产量位移，k_b为隔震器的总刚度，α为隔震器的后屈服与预屈服刚度比，一般取0.1。的比率d_r=u_YB.2/u_y=一个bout 10 andf_r=F_YB.2/F_y=一个bout 2, respectively, as described in Figure2．参数Ż指的是满足非线性首字母的无量纲滞后位移分量[18.，19.]微分方程（5）.F_y和问分别参照隔震器的屈服强度和特性强度。通过定义的F₀式(10.）关于结构的总重量W，则隔震器的屈服强度可归一化:

在一些参考文献中，标准化的刚度已表示为 在哪里米_我，米_b， 和米_t分别为楼层质量、底板质量和建筑物总质量。

在方程(5)，β，一个，n， 和γ.是无量纲参数，并影响滞后环的形状;通过实验预测这些参数的值。在这里，上述参数的值被拍摄为n=2;一个=1;和 （β + γ) /一个=1.The model of equation (5）降低到粘盖性模型;在等式（5)，u_y指的是产量位移。通过以下等式描述了SSIS-NC结构的基础和顶部绝对位移和加速度： 在哪里，u_b，u_n，ü._b， 和ü._n底座和顶部的相对位移和加速度是多少u_0n和ü._0n为SSIS-NC结构作为刚体的顶部相对位移和加速度。

Matlab和Simulink编程工具的评估是由Kasimzade等人的所呈现的管理方程式进行的Matlab和Simulink编程工具进行。[13.- - - - - -15.]在以下部分。

1.2。核遏制结构的SSIS评估

SSIS结构的数值评估提出了钢筋混凝土核容纳结构的一个例子[20.，21.］.结构是由一个半球形的穹顶，一个圆柱形的壳壁，在底部，一个基座板(见图)组成3.(d))。圆筒高47.34米，内径39.0米，厚度0.90米。底板平均厚度为5.50 m。圆顶厚0.90米，外半径18.50米。上部结构总高度为65.840 m，钢筋混凝土材料性能见表1;混凝土的等级是C50。核容纳的冷却系统位于结构的基部。基于参考的SSIS-NC，CAMSBID-NC和FB-NC结构的质量分布[20.，21.]呈现在表格中2,分别。

假设地震在FB-NC，CAMSBID-NC和SSIS-NC结构约为11秒的区域中的主要时间，所需的总弹性体隔离器水平刚度由等式（2）如果是自由振动的情况k_b=8。683.4E + 7 N/m. Other parameters of the elastomeric isolator such as period, damping coefficient, and damping ratio were defined asT_b=4 s,C_b= 1.6169E + 7 Ns/m²， 和ξ_b分别为= 0.15。

基于上述SSIS- nc结构的参数，利用上节推导的SSIS控制方程，对SSIS- nc结构在2011年东北地震中的性能进行了初步评估X- 在图中介绍了一系列加速励磁和基础加速响应4．

如图所示4， SSIS-NC的基础水平加速度(约4倍)显著降低。基于本节给出的初步设计参数和评估结果，下面将对SSIS-NC结构进行详细的有限元建模，并与FB-NC和CAMSBID-NC结构进行对比。

2. SSIS的核容积结构有限元模型

利用LS-DYNA软件建立了核安全壳结构的有限元模型;模型中采用了实体梁单元和离散梁单元[22.］.完全集成的十个节点四面体固体元素[23.已选择为建筑结构基础和SSIS-NC模型的上部结构进行建模。固体网格的尺寸范围在0.7和2米之间。弹性体（引线芯橡胶轴承）地震隔离器使用离散光束元件建模，该分立梁元件表现出弹性地震隔离器的非线性特性[23.，24.］.离散光束元件的尺寸为0.5米（见图3.）.有限元分析的结果与本节通过MATLAB编程进行的数值评估是一致的1.2。

通过网格收敛研究，确定了有限元模型的网格。显然，网格越细，结果越准确，但网格越细，进行动态分析所需的时间和计算机容量就越多。数字5介绍了用于核安全壳结构的不同尺寸的网格。数据5（a）- - - - - -5（d）最大网格尺寸分别为5.5,3.5,2和1米。在本研究中，第三种选择（图5（c））被认为是一个最佳变种。

动态分析的收敛性也受激发器的特征（地震时间历史记录）的影响;具有高频率的地震记录（由重型交流±加速度值组成）需要比低频记录更多的解决时间。因为在分析期间，在分析中，在从 - 到+和相反的加速度的重大变化的情况下，求解器将原始时间步骤划分为子时间步骤以捕获相关点的收敛;因此，它将大大增加分析的持续时间。例如，Duzce地震（图6（a）)时间历史记录的频率比神户地震的频率要低(图)6（b））两者都具有相似的持续时间（约55秒），幅度相同（约7.8米/秒²），同时步骤（0.01秒）。通过39小时和8分钟的Duzce地震效果进行有关Fe模型的动态分析，而使用相同计算机容量的50小时和16分钟，在科比地震的影响下分析了相同的模型。较小的时间步骤生成更准确的结果，但需要更多的分析时间。在该研究中，激发的时间步长是0.01秒，被认为是地震分析的最佳值。

２.１.地震弹性隔震器的初步设计

地震隔离器的初步尺寸和分析参数基于ASCE 7-16计算[25.]及ASCE第41-13条[26.)代码。收益率部队( )，产量位移（u_y)、阻尼比和垂直刚度( ）是地震隔离器的有限元建模的必要分析参数。使用等式计算隔离器的最小水平刚度和设计位移（13.)和(14.),分别为: 在哪里W代表单个轴承上的总重量，T_D在设计阶段(这里T_D=4seconds),B_D对于阻尼系数，对于重力，以及年代_D1对于光谱系数（值）年代_D1基于2011年东北地震反应谱)。橡胶的横截面面积(一个_r）使用方程计算延迟刚度（15.)和(16.),分别为:

屈服位移(u_y的0.05 ~ 0.1倍的橡胶总厚度(R_T)。f_l是一个常见为1.5的因素。特征强度（问)可由式(17.）.然后，屈服力（F_y）轴承可以计算为等式（18.)：

最后，竖向刚度( ），由式(19.）;在这里,E_c，G， 和K分别代表橡胶钢复合，剪切和橡胶块状模量的压缩。的价值K和G基于橡胶的类型而异;的价值K可以在1000到2500 mpa之间变化G0.45和1 MPa之间。年代为隔震器的迟滞回线形状因子，为年代应在12至20之间[27.］.SSIS-NC和camsbidi - nc结构的铅芯橡胶支座(LCRB)的参数计算如表所示3.：

基于比较第一迭代结果来实现弹性体隔离器参数的最终设计K_h= 9.67E+ 5^*86 = 83.162E + 6 N/m with the required total horizontal stiffness of the isolatorsk_b= 86.834E+ 6 N/m由式(2）.然后，通过对弹性隔振器滞回线的评估，在每一次迭代中确定。

3.数值研究

有限元模型的非线性动力分析(见图)3.)是利用两次强烈的长周期地震进行分析的;这些地震的一般特征见表4和图7．地震动的时程数据来自于PEER Berkeley强地震动数据库[28.］.图中呈现的设计谱7用于分离器的初步设计２.１.

4.结果和讨论

与CamsBID-NC和FB-NC相比，SSI的基础级和顶级加速度和顶级位移结果已在图中介绍8- - - - - -10.．

数据8（a）和8（b）提出了2011年北京MYG10地震的效果基础级加速。类似地，由于EL市长地震的效果，模型的基础级响应已经提出在图中8（c）和8（d）．基础加速度结果意味着SSIS-NC模型表现出比CAMSBID-NC模型的响应显着较低。2011年Tohoku和2010年El Mayor地震的效果下的模型的顶级加速度已在图中介绍9（a）- - - - - -9 (d),分别。顶级结果表明，与Camsbid-NC和FB-NC相比，SSIS在核容积结构的顶层缓解地震能量方面更有效。

SSIS-NC、CAMSBID-NC、FB-NC结构的顶层位移如图所示10.．数据10 ()和10 (b)显示了2011年北京效应下有关结构的顶级位移响应，以及数字10（c）和10 (d)在2010年EL市长地震的效果下呈现了相同结构的顶级位移响应。结果清楚地表明了SISS的有效性（图11.）.

SSIS-NC结构的有效(Von-Mises)应力和临界剪切(Tresca)应力响应明显低于CAMSBID-NC和FB-NC结构。它是通过旋转SSIS-NC结构的回转中心来实现的。有效剪切(Von-Mises)、临界剪切(Tresca)和一般剪切的比较X- - - - - -Y使用Camsbid-NC和FB-NC结构的SSIS-NC的应力如图所示12.- - - - - -15.．

5。结论

对SSIS-NC、CAMSBID-NC和基础嵌固结构在强、长周期地震作用下进行了分析4．SSIS-NC结构的基础加速度响应比Camsbid-NC结构低33.34％和55.10％，而SSIS和Camsbid-NC的顶级加速度响应有52.93％和53.33％差异结构中的结构X和Y分别是指示（见图16.和17.）.

SSIS-NC和CAMSBID-NC结构的有效应力（vonmes）和临界剪切应力（tresca）响应也证实了SSIS的有效性。如图所示18.与CAMSBID-NC结构相比，SSIS结构的有效应力和临界剪应力响应平均降低了36.70%和32.60%。如图所示19.，SSIS-NC，CAMSBID-NC和FB-NC结构的一般应力响应还表明SSIS与CAMSBID-NC结构相比，SSIS的显着效果与减少76.28％。

因此，关于SSIS可以注意以下方面：（一世）SSIS-NC结构的基础和顶部加速度，有效应力和临界剪切应力应答分别低于Camsbid-NC结构的48.67％，36.70％和32.60％（平均）（ii）与CAMSBID-NC情况相比，SSIS-NC情况下的隔震器表现出了最大的性能，而CAMSBID-NC情况下的隔震器参数也相似(3)有可能使用额外的地震阻尼器，以实现极其重要建筑的额外地震耗散目的（iv）SSIS-NC系统对于核遏制结构的地震保护，可以高效可靠（v）使用这一技术的可行性不仅限于核密封结构;它可以作为其他重要结构的地震防护系统，如高层建筑和海上石油平台（vi）与CAMSBID-NC和FB-NC系统相比，SSIS-NC系统的响应明显较低，这使得它更轻(在本研究中，SSIS-NC、CAMSBID-NC和FB-NC系统的总质量大致相同，仅用于响应的可比性)。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

该研究得到了土耳其科技研究委员会（Tubitak）的支持。支持被承认。

参考文献

1. M. Higashino和S. Okamoto，建筑物的反应控制与地震隔离，泰勒＆弗朗西斯，伦敦，英国，第一版，2006年。
2. F. naeim和J. M. Kelly，地震隔离结构设计：从理论练习， John Wiley & Sons，纽约，纽约，美国，1999。
3. A. S. Whittaker，P. Sollogoub和M. K.Kim，“核结构的地震隔离：过去，现在和未来”反应堆技术结构力学第24次会议的载体， 2017年8月，韩国釜山。视图:谷歌学术
4. A. S. Whittaker，M. Kumar和M. Kumar，“核电厂的地震隔离”核工程与技术，卷。46，没有。5，pp。569-580,2014。视图:出版商网站|谷歌学术
5. J. Chen，C. Zhao，Q..Xu，C.元，“AP1000 NI下的基础分析与SSE加载下的基地隔离系统的地震分析和评估”核工程与设计， 2014, vol. 278, pp. 117-133。视图:出版商网站|谷歌学术
6. asce 4-16，与安全相关核结构和评论的地震分析，DOE NPH会议，美国民间工程师协会，旧版，VA，美国，2016年。
7. 陈纯43-5,核设施中结构，系统和部件的地震设计标准，美国民间工程师协会，旧版，VA，美国，2005年。
8. 《压水堆核土建工程设计与施工规则》，载于《中国核工程学会期刊》AFCEN 2016, 2016,https:///afcen.com/en/publications/rcc-cw/104/rcc-cw-2016．视图:谷歌学术
9. N. Bepling，M.C.Ciliams，T.G.Pepling和S. Managi，“福岛的后果：避免另一次重大核灾难”能源政策，第126卷，第411-420页，2019。视图:出版商网站|谷歌学术
10. N. Ostrovskaya和Y. Rutman，“大型NPP设备的支撑摆动隔离系统中的能量耗散的最佳控制”Procedia结构完整性，卷。6，pp。19-26，2017年。视图:出版商网站|谷歌学术
11. C. Medel-Vera和T. Ji，“在稳定的大陆地区使用地震保护系统控制核电站的地震风险:英国的案例”核工程与设计，卷。307，pp。377-391,2016。视图:出版商网站|谷歌学术
12. A. S. Whittaker，P. Sollogoub和M. K. Kim，“核电站的地震隔离：过去，现在和未来，”核工程与设计， 2018年第338卷。视图:出版商网站|谷歌学术
13. A. A. Kasimzade，E.····斯法克，C.Ventura，F. Naeim和Y. Muka，地震工程中的隔震、结构健康监测和基于性能的抗震设计:最近的发展2018年，柏林，施普林格。
14. A. A. Kasimzade，E.Tachibana，Y. Mukai等，“基础古建筑固有的球形基础基础隔离系统”DS'15灾难仿真研讨会的诉讼程序，页127-133，日本大阪，2015年6月。视图:谷歌学术
15. A. A. Kasimzade，E. Tachibana，Y. Mukai等，“球形基础结构地震隔离系统：新型地震抗性结构的发展”第六次国际理论与应用力学会议（Tam'15）的诉讼程序，pp.287-292，萨勒诺，意大利，2015年6月。视图:谷歌学术
16. A. A. Kasimzade, O. Abrar, S. Tuhta，和G. Atmaca，“长周期地面运动的地震基础隔震结构研究”，国际工程与应用科学杂志，卷。5，不。6，PP。812-818,2018。视图:谷歌学术
17. A. A. Kasimzade，有限元方法：地震工程的基础和应用（包括教育有限元分析软件CD-MATLAB代码）2018年，土耳其伊斯坦布尔，诺贝尔出版社。
18. F. ikhouane和J. Rodellar，具有滞后的系统：使用BOUC-WEN模型进行分析，识别和控制，约翰威利＆儿子，霍博肯，新泽，美国，2007年。
19. Y.K. Wen，“滞后系统的随机振动方法”，工程力学学报第102卷第1期2，页249-264,1976。视图:谷歌学术
20. A. Ali，N. Abu-Hayah，D. Kim和S. G.Cho，“设计响应光谱标准的实际和合成GMS，用于地震孤立的核反应堆遏制建筑物的地震分析”，核工程与技术，第49卷，第49期。4, pp. 825-837, 2017。视图:出版商网站|谷歌学术
21. J. Liu，J. Kong和X. Kong，“CPR1000核电站混凝土容器船（CCV）的振动表模型试验”核能的进展，卷。93，pp.186-204,2016。视图:出版商网站|谷歌学术
22. LSTC，LS-DYNA关键字用户手册LiverMore软件技术公司， LSTC，利弗莫尔，加州，美国，2013。
23. J.O. Hallquist，LS-DYNA理论手册，Livermore软件技术公司，Livermore，加利福尼亚州，美国，2006年。
24. S. Nagarajaiah，A.M. Reinhorn和M. C. Contantinou，“3 D-Base-Press Stucture的非线性动态分析”，结构工程学报，第117卷，第117号7，第2035-2054页，1991。视图:出版商网站|谷歌学术
25. 第3期7 - 16,建筑物和其他结构的最小设计负载，美国民间工程师协会，旧版，VA，美国，2016年。
26. asce 41-13，在现有建筑物的地震评估和改造，美国民间工程师协会，旧版，va，美国，2013年。
27. F. naeim，地震设计手册，施普林格，纽约，纽约，美国，2003。
28. 同行,太平洋地震工程研究中心地震动数据库加州大学伯克利分校，加州伯克利分校，美国，2016。

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