一种具有抗冲击功能的层间隔震新型核电站结构的制作方法

1.本发明涉及核电站地震和冲击安全领域，具体为一种具有抗冲击功能的层间隔震新型核电站结构。


背景技术：

2.核能发电是清洁、高效、环保的能源之一，也是我国绿色能源重点发展方向。我国2021年《政府工作报告》中提到“在确保安全的前提下积极有序地发展核电”。“确保安全”是“积极有序”的前提，这主要是由于核电站事故会造成严重长期的环境污染、重大的经济损失、甚至严重的社会问题。显然，核电站安全是核能发电的关键问题。
3.核电站的安全性一直是核电站行业发展的重点。因此，核电站地震安全一直是国内外研究的重点。由于地震的复杂性和不确定性，当前科学技术很难准确地预测地震发生时间、地点、震级大小和频谱特征。日本学者河田章指出：即使利用最新的板块构造理论，也不能得到建筑结构设计所必须的抗震信息。谢礼立院士也指出：许多认为不可能发生强烈地震的区域，却发生了“意想不到的地震”。例如5.12汶川地震(m8.0)、3.11日本大地震(m9.0)等都超过了设计值。同时，新的潜在地震断层的产生也会影响核电站抗震安全。比如日本滨冈核电厂1号机组，受东海断层潜在的威胁，设计地震由0.45g提高至1.0g。由于发现hos-gri fault新断层，美国加州pg&e的diablo canyon核电厂设计地震由0.4g提高到0.75g。同时，近十多年，在日本发生的与地震相关的核事故有：2005年8月16日女川核电站遭受超过设计s1级地震，停堆23个月；2007年3月25日志贺核电站遭受超过设计s1级地震，停堆14个月；同年，刈羽核电站遭受超过设计s2级地震，造成含有微量放射性物质的水泄漏，停堆24个月；2011年3月11日福岛核电站遭受9.0级3.11日本大地震，造成7级核事故。2011年8月23日美国东海岸发生5.8级地震，导致弗吉尼亚州附近12个核电站均有震感，造成震中附近的两座核反应堆停机。其中，北安娜核电站厂房水平方向和竖向振动的加速度均超出规范设计值，虽然没有导致核事故发生，导致厂房内部的墙体出现了裂缝，放射性废物储存罐也发生了滑移。传统核电站结构抗震安全与实际需求仍有较大差距。
4.结构被动隔震减震技术符合三代核电站非能动安全技术要求，是核电站结构地震安全的发展方向。基础隔震结构(base isolated structure,bis)具有技术成熟度高使用方便、有效地隔离地震能量向核岛上部结构输入、减小结构地震响应、降低结构地震破坏等优点，已经成功地应用到民用、交通、桥梁等领域。但由于基础隔震核电站面临核设备安全问题，核行业对bis npps保持谨慎的态度。但由于bis核电站面临关键问题：
①
bis结构对滑冲型、脉冲型近场地、长周期地震比较敏感，存在该类地震动作用下结构减震失效的风险；
②
隔震支座的地震位移大，增加了隔震部分与非隔震部分之间连接管道断裂的风险，存在核安全功能失效的隐患；
③
bis结构放大了长周期结构和流体晃动模态的地震响应，增加了核关键设备，比如压力容器和管道系统等，地震破坏风险；因此，核行业对bis核电站采取了谨慎的态度。显然，研究bis核电站面临的关键问题具有重要的研究价值。
5.针对bis核电站存在的问题，国内外学者进行了大量的研究，取得了丰硕的研究成
果。意大利forni、韩国yoo和美国whittaker等国外学者，我国谢礼立院士、周福霖院士、孔宪京院士和林皋院士等都倡导和应用隔震技术提高核电站的抗震安全性，力图解决制约基础隔震核电站的关键问题。标志性成果有：
①
针对基础隔震结构对滑冲型、脉冲型近场地、长周期等地震动比较敏感，谢礼立院士提出通过超基准地震设计降低该类地震对基础隔震核电站的不利影响；
②
针对隔震层相对位移大，增加了核电站隔震部分与非隔震部分连接管道的断裂危险，forni提出应用大变形膨胀节点等技术措施来缓解该因素的不利影响。但对问题
③
还缺乏深入研究。夏祖讽和侯钢领等挖掘了iii
+
代核电堆型的结构特点，应用了该核电站非能动安全功能系统的进气孔，维持结构其他部分不变情况下，仅将进气孔的核岛上部结构、核岛下部结构之间的固定连接替换为隔震支座，也可以认为bis结构的隔震支座从基础向上移动到结构顶部的进气孔处，形成了层间隔震结构。此时，连接管道位于隔震支座下面，消除了问题
②
；核岛下部结构属于传统非隔震结构，避免了问题
③
。同时，应用结构优化的方法，较好地避免了该结构的减震失效。由于该结构符合核安全技术的基本要求，具有减震机理清晰、实施简单可行等优点，具有良好的应用前景。
6.自2001年9月11日发生在美国纽约世界贸易中心的一起系列恐怖袭击事件，9.11事件以后，美国核管会nrc、中国和国际原子能机构，都将冲击爆炸作为核电站安全的基本防控事件。爆炸振动特性可用幅值、频谱和持时三个要素来描述。通过与有无隔震系统的三要素做对比，就可以得到爆炸冲击冲击波作用下对隔震结构影响。无论是垂直方向还是水平方向，相同炸药量下有隔震系统实验结果的速度峰峰值均小于无隔震系统的速度峰峰值；随着加载药量的增加，隔震效果趋于显著；水平方向的振动峰峰值比垂直方向的峰峰值大2倍左右，隔震结构对这两个方向的减振效果相当。由于水平向和竖向的约束刚度不同，导致垂直方向的振动频率高而水平方向的振动幅度大。无论是垂直振动，还是水平振动，其主频都在100hz以内；而垂直振动有两个主频区，分别在20-45hz之间和55-75hz之间，并且这两部分频率能量分布相当。而水平振动主频集中于30hz左右，并呈单峰结构，说明水平振动主要是由低频引起，而垂直振动则有两个主频率区。无论是垂直方向还是水平方向，隔震减振系统都比较明显减弱了低频振动的幅值，这对于结构减震有显著的作用。但在直接冲击荷载作用下，隔震结构会产生较大的变形或者位移，导致核电站出现事故。
7.上述层间隔震结构的层间隔震支座刚度小，导致核岛上部结构抵抗飞行器撞击能力差，不能满足核电站防止飞行器撞击事故的基本安全要求。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种具有抗冲击功能的层间隔震新型核电站结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有抗冲击功能的层间隔震新型核电站结构，包括核岛下部结构、核岛上部结构、层间隔震层和核设备，所述核设备安装在核岛下部结构内，所述层间隔震层连接在核岛下部结构和核岛上部结构之间，其包括隔震支座、滚轮轨道、滚轮轴、滚轮、弹簧拉杆、制动装置、冲击传感器、气孔和摩擦片。
10.进一步的，所述隔震支座等间隔分布在核岛下部结构和核岛上部结构之间，其截面呈“工”字型结构，且其上、下表面分别与核岛下部结构和核岛上部结构的相对面固接，在各所述隔震支座两侧设置有弹簧拉杆，弹簧拉杆一端与核岛下部结构顶面铰接，另一端与
核岛上部结构底面铰接。
11.进一步的，所述摩擦片等间隔分布在层间隔震层内外两侧，摩擦片上端与核岛上部结构固定连接，其下端与核岛下部结构搭接。
12.进一步的，所述滚轮轴固定连接在各隔震支座上表面，所述滚轮套设在滚轮轴上，且可以绕着滚轮轴转动。
13.进一步的，每个所述隔震支座顶部布置有6个滚轮，且成2*3布置。
14.进一步的，所述滚轮轨道设置有两条，且分布在核岛上部结构底面的内外两侧，滚轮与对应的滚轮轨道相互嵌合，使得核岛上部结构可沿滚轮轨道在滚轮上旋转。
15.进一步的，所述滚轮两侧设置有制动装置和冲击传感器，在未受到冲击时，制动装置将滚轮限制，使其无法转动，当核岛上部结构2受到冲击，冲击传感器感应并触发制动装置释放，使滚轮可以绕着滚轮轴旋转。
16.进一步的，所述气孔设置在各摩擦片之间，用以满足排气排压需求。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明针对层间隔震结构的层间隔震支座刚度小，导致核岛上部结构抵抗飞行器撞击能力差，不能满足核电站防止飞行器撞击事故的基本安全要求的问题，挖掘核电站圆形的平面结构特点，将冲击能转化为旋转动能；同时，通过圆形平面运动过程，应用离心力作用和直线运动特点，将飞行器冲击物体飞离上部结构，减小对核岛上部结构的冲击；并且应用旋转过程中产生的核岛上部结构与核岛下部结构的相对相对运动，通过摩擦片将旋转动能转换成摩擦热能，将飞行器撞击能转化为转换为摩擦热能；同时，应用制动系统实现上部结构运动停止，并且制动系统结合弹簧拉杆，避免了滚珠的滚动和上部结构的相对位移，从而保证了层间隔震结构的减震作用，在风荷载或者地震作用时，不会影响层间隔震结构的减震特性；本发明将传统结构采用抵抗方法防止飞行器撞击破坏，更改为能量转换的方式防止飞行器撞击破坏，同时利用旋转使以飞机为代表的撞击偏转方向，降低冲击能向结构的传递。
19.综上所述，本发明应用能量转化，摩擦耗能和几何运动特征等，发明了减小了飞行器撞击对核岛结构破坏，从而保证在飞行器撞击下核岛结构的安全。本发明成果对层间隔震结构的发展，核设施结构抗冲击破坏，提高核设施防止地震、冲击安全等方面，具有研究和实用价值。
附图说明
20.图1为本发明的结构剖面图；
21.图2为本发明的隔震支座的整体结构示意图；
22.图3为本发明的a-a剖面图；
23.图4为本发明的b-b剖面图；
24.图5为本发明的隔震支座的剖面图；
25.图6为本发明的c-c剖面图；
26.图7为本发明的制动状态下的e处细化图；
27.图8为本发明的运动状态下的e处细化图；
28.图9为本发明的f处的细化图。
29.图中：1、核岛下部结构；2、核岛上部结构；3、层间隔震层；301、隔震支座；302、滚轮轨道；303、滚轮轴；304、滚轮；305、弹簧拉杆；306、制动装置；307、冲击传感器；308、气孔；309、摩擦片；4、核设备。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种具有抗冲击功能的层间隔震新型核电站结构，包括核岛下部结构1、核岛上部结构2、层间隔震层3和核设备4，所述核设备4安装在核岛下部结构1内，所述层间隔震层3连接在核岛下部结构1和核岛上部结构2之间，其包括隔震支座301、滚轮轨道302、滚轮轴303、滚轮304、弹簧拉杆305、制动装置306、冲击传感器307、气孔308和摩擦片309。
34.实施例1：所述隔震支座301等间隔分布在核岛下部结构1和核岛上部结构2之间，其截面呈“工”字型结构，且其上、下表面分别与核岛下部结构1和核岛上部结构2的相对面固接，在各所述隔震支座301两侧设置有弹簧拉杆305，弹簧拉杆305一端与核岛下部结构1顶面铰接，另一端与核岛上部结构2底面铰接。弹簧拉杆305正常状态下处于预拉状态，将核岛上部结构2与核岛下部结构1拉紧；在未受到冲击时，由于弹簧拉杆305的弹簧在水平方向的刚度远小于竖向刚度，因此核岛上部结构2可以相对核岛下部结构1在水平面内有较大位移，以满足隔震支座301的变形需要；当受到冲击时，弹簧拉杆305的弹簧与杆件结合的位置断开，释放对结构的作用力，同时弹簧收缩不会影响核岛上部结构2的旋转。
35.实施例2：所述摩擦片309等间隔分布在层间隔震层3内外两侧，摩擦片309上端与核岛上部结构2固定连接，其下端与核岛下部结构1搭接。当核岛上部结构2旋转时，摩擦片309下部与核岛下部结构1发生相对位移，从而将核岛上部结构2的旋转动能转化为摩擦热能。
36.实施例3：所述滚轮轴303固定连接在各隔震支座301上表面，所述滚轮304套设在滚轮轴303上，且可以绕着滚轮轴303转动。每个所述隔震支座301顶部布置有6个滚轮304，且成2*3布置。
37.所述滚轮轨道302设置有两条，且分布在核岛上部结构2底面的内外两侧，滚轮304
与对应的滚轮轨道302相互嵌合，使得核岛上部结构2可沿滚轮轨道302在滚轮304上旋转。
38.实施例4：所述滚轮304两侧设置有制动装置306和冲击传感器307，制动装置306为制动器，由控制器统一控制，在未受到冲击时，制动装置306将滚轮304限制，使其无法转动，当核岛上部结构2受到冲击，冲击传感器307感应并触发制动装置306释放，使滚轮304可以绕着滚轮轴303旋转。
39.进一步的，所述气孔308设置在各摩擦片309之间，用以满足排气排压需求。
40.综上所述，本发明可以使核岛上部2结构相对层间隔震层3旋转，从而以能量转换以及减少冲击能向结构传递的方式，达到了提升应用层间隔震技术的核电站抗冲击能力的目的。
41.具体的：
42.在非撞击状态下，通过制动装置306结合弹簧拉杆305，实现隔震支座301以上部分与隔震支座301刚性连接。弹簧拉杆305布置在隔震支座301两侧，其下端与核岛下部结构1上表面铰接，其上端与核岛上部结构2下表面铰接。此时，弹簧拉杆305处于预拉状态，可以保证核岛上部结构2、层间隔震层3部分和核岛下部结构1处于紧密连接状态，并且防止受拉破坏。制动装置306布置在隔震支座301上表面，且置于滚轮304的两侧，防止滚轮304和核岛上部结构2发生相对运动，并且防止风荷载引发破坏，同时保证滚轮304传递压力，防止受压破坏。通过弹簧拉杆305的拉力与滚轮304传递压力的共同作用，实现结构整体抗弯破坏和倾覆破坏。
43.在地震作用下，此时，制动装置306仍然处于工作状态，防止滚轮304和核岛上部结构2发生相对运动，保证滚轮304传递地震压力。弹簧拉杆305开始工作，传递核岛上部结构2与核岛下部结构1之间的地震拉力，并且减小隔震支座301的拉力。隔震支座301可以传递核岛上部结构2与核岛下部结构1之间的地震压力。在地震水平剪力的力作用下，隔震支座301需要发生较大的剪切变形，发挥减震作用。此时，弹簧拉杆305与核岛下部结构1上表面和核岛上部结构2下表面的铰接连接，形成水平机构结构，避免隔震支座301发生较大的剪切变形，但不影响通过弹簧拉杆305传递拉力。此时，弹簧拉杆305与滚轮304—隔震支座301传递压力的共同作用，防止结构抗弯破坏和倾覆破坏。
44.在冲击荷载作用下，通过冲击传感器307进行感应判断，当冲击荷载较小或者作用在核岛下部结构1时，制动装置306和弹簧拉杆305处于工作状态，采用抵抗方法，防止冲击破坏；当冲击荷载较大时，制动装置306关闭，断开弹簧拉杆305，制动装置306和弹簧拉杆305不会对核岛上部结构2的旋转产生阻碍，使核岛上部结构2可以旋转运动。
45.在冲击力作用下，核岛上部结构2发生旋转运动。在旋转运动时，滚轮304围绕滚轮轴303转动，通过绕圆形核岛上部结构2周边的滚轮304围绕滚轮轴303的同向运动，使作用在核岛上部结构2的冲击能转化为旋转动能。在隔震支座301上表面与核岛下部结构1下表面布置滚轮轨道302，可以避免运行旋转偏离圆形预定轨迹。在旋转运动状态下，会产生核岛上部结构2与核岛下部结构1的相对运动。在隔震支座301两侧，布置若干摩擦片309，核岛上部结构2旋转时，摩擦片309利用核岛上部结构2与核岛下部结构1的位移差，将核岛上部结构2的旋转动能转化为摩擦能。核岛上部结构2有圆形的平面特征，当核岛上部结构2发生旋转时会形成离心力，并应用物体直线运动特征，一定程度使以飞机为代表的撞击偏转方向，降低冲击能向结构的传递。
46.本技术方案保证了在平时正常状态、地震作用、冲击作用下本层间隔震—旋转抗冲击新型核电站新型结构的实现和工作，实现预期目标。
47.值得注意的是：整个装置通过总控制按钮对其实现控制，由于控制按钮匹配的设备为常用设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述其电性连接关系以及具体的电路结构。
48.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。