本发明涉及一种隔震结构，特别是一种小型核反应堆三维隔震结构。
背景技术
随着科技的进步、能源需求的增加和环境保护的日益重视，清洁高效的核能发电已经成为世界各国发展的重点。众所周知，核电站事故会造成严重的环境污染，惨重的经济损失和严峻的社会问题。在某种意义上讲，不允许核电站出现地震事故。由于地震的随机性和核电站系统的复杂性，核电站的抗震安全仍然面临巨大的挑战。
与常规火力发电不同，在地震作用下，核电站必须满足3个安全基本功能，分别是：1).具有安全停堆的基本功能，终止核裂变的发生，并且能够保持安全停堆状态。2).具有余热导出功能，在有效时效内冷却系统能够安全地冷却堆芯，防止堆芯高温熔化。3).具有包容密封的功能，在任何情况下，把放射性物质在安全壳屏蔽内，防止核辐射元素扩散。上述任何一个基本功能出现失效，都会导致核事故的产生。
与核安全基本功能对应，核电站结构应该满足特殊抗震要求有：1).安全停堆功能要求能将控制棒顺利插入堆芯，保证反应堆安全停止工作，这要求核设备及其支撑结构不能有较大的相对位移和相对加速度。2).为了保证余热导出功能，核电站设置了很多复杂的安全系统，这要求核电站设备和系统的地震应该控制在一定范围内，防止核系统破坏或功能失效。3).为了防止放射性物质扩散，保证包容密封的功能，在地震作用下核电站安全壳不允许出现裂缝。显然，核电站结构抗震要求与传统结构有很大差别。在地震作用下，普通建筑允许结构处于塑性阶段，甚至局部破坏。由于要满足核电站结构的特殊抗震要求，核电站结构地震响应应该控制在一定范围内。
采用具有非能动特点的建筑技术，例如基础隔震技术(baseisolationsystem,bis)和调频质量阻尼器(tunedmassdamper,tmd)等被动减震技术，符合非能动的安全技术和设计理念。基础隔震技术，取得了显著的研究成果，有效地提高了核电站的抗震性能。tmd技术与基础隔震技术一样已经具有坚实的减震理论基础和成熟的技术，并且在建筑、机械和交通等领域有着成功的应用，取得了良好的减震效果。但还没有tmd技术单独或者组合地应用到核电站。而核电站的隔震系统研究以水平隔震为主，没有单独针对竖向隔震系统进行系统的研究、解决措施、以及相应的优化结构。
国际原子能机构(iaea)将小型核反应堆定义为发电功率小于300兆瓦的核反应堆动力装置，简称小型堆。发电功率在300-600兆瓦间的被定义为中型反应堆，两者可以统称为中小型核反应堆，英文简称smr(smallandmedium-sizedreactors)。随着全球核电发展，越来越多的国家开始关注小型堆的应用。iaea表示，将鼓励发展和利用安全、可靠、经济上可行的中小型反应堆。事实上，小型堆得到国际重视和集中研发始于本世纪初期，在上世纪五六十年代，中小型堆的运用已经开始了。其间，除了早期的研究实验堆以及标准的核电站以外，还建造了数百台的小型堆。可以说，小型堆的研发和建设已经积累了大量的工程技术经验。但是，小型堆核电站大多数采用传统抗震结构。
本发明针对核电站不允许在地震作用下出现核电站结构和设备出现破坏的特殊抗震要求，在传统的基础隔震—调频质量阻尼器(bis-tmd)混合减震技术基础上，提出了水平隔震与竖向隔震兼顾，充分发挥了bis-tmd技术的优势，采用了竖向隔震技术和防止竖向位移过大导致的倾覆破坏，实现了竖向三维隔震效果突出、抗震鲁棒性好、减震效果稳定，并且满足了核电站特殊抗震要求的三维隔震系统。
技术实现要素：
针对上述技术，本发明要解决的技术问题是提供一种符合结构动力学原理和地震工程要求、综合了bis-tmd结构的水平隔震和竖向隔震的技术、显著地提高了核设施及核支撑结构的抗震安全性、满足核电站特殊抗震要求的小型核反应堆三维隔震结构。
为解决上述技术问题，本发明一种小型核反应堆三维隔震结构，包括地基基础、水平隔震支座、基础隔震底板、调频质量阻尼器支座、调频质量阻尼器子结构内安全壳、竖向隔震支座、核反应堆支撑结构、防止竖向倾覆构件、结构竖向阻尼构件和水平同位构件，地基基础和基础隔震底板之间设置有水平隔震支座，基础隔震底板与调频质量阻尼器子结构内安全壳之间设置有调频质量阻尼器支座，核反应堆支撑结构设置在调频质量阻尼器子结构内安全壳内，核反应堆支撑结构通过竖向隔震支座设置在基础隔震底板上，核反应堆支撑结构外围环向布置防止竖向倾覆构件，防止竖向倾覆构件与基础隔震底板固定连接，防止竖向倾覆构件和核反应堆支撑结构之间设置有水平同位构件，防止竖向倾覆构件和核反应堆支撑结构之间环向布置结构竖向阻尼构件。
本发明有益效果：采用了水平隔震支座，以及基础隔震底板，形成基础隔震结构，实现了上部结构与地基基础的隔离，减小了地震动的响应，有效地减小地震能量输入。
采用tmd支座，与基础隔震结构共同作用形成bis-tmd结构，充分发挥bis-tmd的优势，使得结构水平地震响应主要集中在bis基础隔震层和tmd子系统，实现了水平隔震技术。
核设施及核反应堆支撑结构与基础隔震底板之间，采用了水平方向固定、竖向弹簧连接的支座，减小了核反应堆支撑结构及核设施的竖向刚度，减小了竖向地震动响应，实现了竖向地震动隔离。
设置了结构竖向阻尼构件，增加竖向结构阻尼，有效地吸收竖向的地震能量，进一步减小了核设施及其支撑结构的竖向地震响应。
设置了防止竖向倾覆构件和水平同位构件，防止核反应堆支撑结构及核设施由于竖向振动位移过大发生倾覆破坏，增加了核设施及支撑结构的抗震安全性，为竖向隔震提供一道防倾覆防线。
通过基础隔震支座隔离地基传来的地震动，基础隔震支座及基础隔震底板首先吸收部分水平向地震动；调整核设施支撑结构的竖向刚度，以及竖向结构阻尼，实现竖向隔震技术，减小了竖向地震动响应；增加防倾覆构件，提供竖向隔震的防倾覆防线；通过上述构件的协同作用，实现了满足了核电站特殊抗震要求的三维隔震结构，结构竖向和水平隔震效果突出、抗震鲁棒性好、减震效果稳定。本新型结构实现简单，理论依据可靠，可以大幅度地提高了小型核反应堆核电站结构的抗震安全性。
附图说明
图1为三维隔震小型核反应堆新型结构1-1剖面示意图；
图2为三维隔震小型核反应堆新型结构俯视图；
图3为核反应堆支撑结构示意图；
具体实施方式
本发明适用于不允许出现地震破坏的小型核反应堆，属于三维隔震系统，本新型结构也适用于珍贵文物、精密仪器的三维隔震需求。
本发明的实施方案是根据核电站不允许地震作用下出现结构和设备破坏的特殊抗震要求，基于基础隔震—调频质量阻尼器(bis-tmd)混合减震技术基础上提出了改进，并通过结构措施实现了本发明的结构。
首先，进行地基基础的浇筑，在地基基础上安装水平基础隔震支座，紧接着在支座上浇筑安装基础隔震底板。然后，设置竖向隔震支座，并完成核反应堆支撑结构的施工。然后，设置防倾覆构件，在防倾覆构件与核反应堆支撑结构之间安装竖向结构阻尼、水平同位构件。同时，安装核设施。最后，安装tmd支座，并在其上浇筑并完成tmd子结构-内安全壳的施工。
本发明小型核反应堆三维隔震结构，包括地基基础1、水平隔震支座2、基础隔震底板3、tmd支座4和tmd子结构-内安全壳5、竖向隔震支座6和核反应堆支撑结构7、核设施8、防止竖向倾覆构件9、结构竖向阻尼构件10和水平同位构件11；其特征在于：通过上述构件的组合，可以实现本发明的新型结构。结构实施过程简单，力学机理明确，具有良好的可操作性。其中，上部结构由构件基础隔震底板3、tmd支座4、tmd子结构-内安全壳5、竖向隔震支座6、核反应堆支撑结构7、核设施8、防止竖向倾覆构件9、结构竖向阻尼构件10、水平同位构件11组成；tmd主结构由构件基础隔震底板3、竖向隔震支座6、核反应堆支撑结构7、核设施8、防止竖向倾覆构件9、结构竖向阻尼构件10、水平同位构件11组成,tmd子结构包括tmd子结构-内安全壳5，tmd子结构和tmd主结构通过tmd支座4连接。
实施舍弃了传统结构的固接方式，采用水平隔震支座2和基础隔震底板3，实现了上部结构与地基基础1的水平向地震隔离，形成了水平隔震结构。
在水平隔震基础上，提出tmd子结构-内安全壳5与基础隔震底板3采用tmd支座4连接，形成了tmd子结构和主结构；基础隔震结构与tmd结构共同作用形成了bis-tmd隔震减震结构。bis-tmd隔震减震结构比基础隔震结构更好地减小了水平地震对核电站结构的影响，减震效果好，隔震效果稳定，更符合核电站抗震安全要求。
通过在核反应堆支撑结构7和基础隔震底板3之间设置竖向隔震支座6，核反应堆支撑结构7及核设施8实现了对竖向地震动的隔震。通过减小竖向隔震支座6的竖向刚度，延长核反应堆支撑结构5的竖向周期，实现核反应堆支撑结构5的竖向隔震。
竖向隔震导致核反应堆支撑结构7竖向振动位移大，结构易发生倾覆破坏。为了防止核反应堆支撑结构7及核设施8发生倾覆破坏，在核反应堆支撑结构7外围环向布置防止倾覆构件9，其与基础隔震底板3固定连接。同时，在核反应堆支撑结构7与防止倾覆构件9之间加设水平同位构件11，该构件可以实现防止倾覆构件9和核反应堆支撑结构7具有相同的水平位移。防止倾覆构件9与水平同位构件11的共同作用，为核反应堆支撑结构7提供了侧向不动点，防止了核反应堆支撑结构7及核设施8发生倾覆破坏。
为了防止竖向隔震支座6对某些地震波的放大情况，在核反应堆支撑结构7与防止倾覆构件9之间环向布置竖向阻尼构件10。由于防止倾覆构件9与基础隔震底板3采用竖向连接，其竖向振动频率快，导致竖向振动位移小；而核反应堆支撑结构7竖向振动频率慢，竖向振动位移大，因而倾覆构件9与核反应堆支撑结构7之间的竖向位移差会促使竖向阻尼构件10发挥作用，提升结构竖向的阻尼耗能性能，减小结构的竖向振动，从而提高了结构竖向的减震效果。
核设施及核电站不仅要求结构不允许在地震中发生破坏，而且要求结构的地震响应不应该超过允许设计值。同时，地震随机性性强、产生机理复杂、破坏程度大，具有很强的不可预见性。为了实现核设施的安全停堆和余热导出等特殊安全要求,为了防止核泄漏事故的出现，提高核设施及核电站的抗震安全性，本专利提出了适合小型反应堆的新型三维隔震结构。
本发明提出了适合小型反应堆的新型三维隔震结构，首先，应用基础隔震-调频调谐(bis-tmd)系统隔离水平地震动，使得该新型结构地震响应主要集中在bis基础隔震层和tmd子结构，减小了小型核反应堆结构的水平地震动，实现了隔离水平地震动。其次，修改了小型核反应堆支撑结构与基础固定连接的结构形式，采用了水平方向固定、竖向弹簧连接的支座，通过调整竖向弹簧的竖向刚度，实现了核反应堆支撑结构及核设施的竖向隔震。同时，为了防止核反应堆支撑结构及核设施竖向振动位移过大而发生倾覆破坏，增加了环向布置的防止倾覆构件。防止倾覆构件通过水平同位构件与核反应堆支撑结构连接，水平同位构件可以实现核反应堆支撑结构与防止倾覆构件具有相同的水平位移，防止了倾覆破坏的发生。最后，充分发挥防止倾覆构件与核反应堆支撑结构较大的竖向相对位移和相对加速度，增加结构竖向阻尼构件，进一步减小了核反应堆支撑结构及核设施的竖向地震响应。通过上述过程，实现了核反应堆支撑结构及核设施的三维隔震。
本发明发挥了bis-tmd被动吸振结构的优点，隔离了水平地震的影响；通过竖向弹簧支座，增加竖向耗能和防止水平倾覆构件，减小了竖向地震的影响，实现了三维隔震减震结构。通过结构的优化分析和技术，可以实现本新型结构对所有场地的地震都有很好的减震效果。本新型结构实现简单，理论依据可靠，可以显著地提高小型核电站结构的抗震安全性。