一种具有旋转正弦轨道层间隔震结构的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，具体为一种具有旋转正弦轨道层间隔震结构的新型核电站结构。


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岛内部设备安全问题，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震效果相当。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，隔震减震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.上述存在层间隔震结构的层间隔震支座刚度小，导致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。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种具有旋转正弦轨道层间隔震结构的新型核电站结构，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：一种具有旋转正弦轨道层间隔震结构的新型核电站结构，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、正弦滚轮轨道、滚轮轴、滚轮、弹簧拉杆、连接板、制动装置、气孔和冲击传感器。
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，隔震支座上表面固定连接正弦
滚轮轨道，且正弦滚轮轨道沿核岛下部结构顶部的整个圆形截面布置。
11.进一步的，所述正弦滚轮轨道两侧呈环形阵列分布有若干组弹簧拉杆，且每组弹簧拉杆布设在正弦滚轮轨道最高端位置处，并以3*2形式布置，弹簧拉杆下端与正弦滚轮轨道铰接，上端与核岛上部结构铰接。
12.进一步的，所述滚轮套设在滚轮轴上并可沿滚轮轴转动，滚轮轴两端固定连接在连接板上，并经连接板最终固定在核岛上部结构上；所述滚轮在核岛上部结构下部的圆形截面内呈环形阵列布置，且适配嵌合在正弦滚轮轨道内，在未受到冲击时，所有滚轮均在正弦滚轮轨道的最低点处。
13.进一步的，所述正弦滚轮轨道内壁于滚轮两侧设置有制动装置，所述正弦滚轮轨道外侧布设有冲击传感器，且冲击传感器由控制器统一控制；在未受到冲击时，制动装置将滚轮限制，使其无法转动与位移；当核岛上部结构受到超过设定值的冲击时，冲击传感器向控制器发送信号，控制器触发制动装置解除对滚轮的限制，使滚轮可以绕着滚轮轴旋转，并在正弦滚轮轨道内运动。
14.进一步的，所述气孔分别布设在正弦滚轮轨道与隔震支座、核岛下部结构，以及核岛上部结构、正弦滚轮轨道、滚轮围成的空间内，以满足结构的排气排压需求。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.本发明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和重力势能；通过圆形平面运动过程，应用离心力作用和直线运动特点，将飞行器偏转飞离核岛上部结构，减小对核岛上部结构的冲击；同时，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运动，将旋转动能转换成摩擦热能，最终将飞行器撞击能转换为摩擦热能；在此过程中，由于重力势能的作用，增大了摩擦转换为摩擦热能的效率，并利用正弦滚轮轨道的平衡点达到核岛上部结构与核岛下部结构间的复位；应用制动装置实现核岛上部结构运动停止，并且制动装置结合弹簧拉杆，避免了滚轮的滚动和核岛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；因此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。
17.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。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，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，并且保证结构的复位能力。
附图说明
18.图1为本发明的结构立面图；
19.图2为本发明的结构剖面图；
20.图3为本发明的a-a剖面图；
21.图4为本发明的b-b剖面图；
22.图5为本发明自弹簧拉杆上端分开后的d处具体示意图；
23.图6为本发明自弹簧拉杆上端分开后的c-c剖面图；
24.图7为本发明的运动状态下的d处具体示意图；
25.图8为本发明自弹簧拉杆上端拆分后的整体示意图。
26.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、正弦滚轮轨道；303、滚轮轴；304、滚轮；305、弹簧拉杆；306、连接板；307、制动装置；308、气孔；309、冲击传感器；4、核设备。
具体实施方式
27.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。
28.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。
29.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。
30.请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种具有旋转正弦轨道层间隔震结构的新型核电站结构，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、正弦滚轮轨道302、滚轮轴303、滚轮304、弹簧拉杆305、连接板306、制动装置307、气孔308和冲击传感器309。
31.如图4和图8所示，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，隔震支座301上表面固定连接正弦滚轮轨道302，且正弦滚轮轨道302沿核岛下部结构1顶部的整个圆形截面布置。
32.如图5和图6所示，所述正弦滚轮轨道302两侧呈环形阵列分布有若干组弹簧拉杆305，且每组弹簧拉杆305布设在正弦滚轮轨道302最高端位置处，并以3*2形式布置，弹簧拉杆305下端与正弦滚轮轨道302铰接，上端与核岛上部结构2铰接。弹簧拉杆305正常状态下处于预拉状态，通过正弦滚轮轨道302与隔震支座301将核岛上部结构2与核岛下部结构1拉紧。未受到冲击时，由弹簧拉杆305传递竖向的力，防止结构竖向受拉破坏；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，同时预拉的弹簧收缩不会影响核岛上部结构2的旋转。
33.如图5、图6和图8所示，所述滚轮304套设在滚轮轴303上并可沿滚轮轴303转动，滚轮轴303两端固定连接在连接板306上，并经连接板306最终固定在核岛上部结构2上，在未受到制动装置307限制时，滚轮304可以绕着滚轮轴303转动；所述滚轮304在核岛上部结构2下部的圆形截面内呈环形阵列布置，且适配嵌合在正弦滚轮轨道302内，在未受到冲击时，所有滚轮304均在正弦滚轮轨道302的最低点处。
34.如图5-8所示，所述正弦滚轮轨道302内壁于滚轮304两侧设置有制动装置307，所述正弦滚轮轨道302外侧布设有冲击传感器309，且冲击传感器309由控制器统一控制；在未受到冲击时，制动装置307将滚轮304限制，使其无法转动与位移；当核岛上部结构2受到超过设定值的冲击时，冲击传感器309向控制器发送信号，控制器触发制动装置307解除对滚轮304的限制，使滚轮304可以绕着滚轮轴303旋转，并在正弦滚轮轨道302内运动。
35.如图5和图8所示，核岛上部结构2未受到超过设定值的冲击时，滚轮304在正弦滚轮轨道302内的最低点处，正弦滚轮轨道302突出的侧壁与制动装置307联合作用控制滚轮304无法在水平平面内位移，配合弹簧拉杆305将核岛上部结构2与正弦滚轮轨道302拉紧限制了滚轮304在竖向方向的位移，从而使得滚轮304在以上结构的联合作用下，在核岛上部结构2未受到超过设定值冲击状态时，滚轮304被固定在正弦滚轮轨道302内最低点处，从而使核岛上部结构2最终完成与隔震支座301上表面固定连接。
36.如图5和图7所示，在运动状态下，核岛上部结构2沿着正弦滚轮轨道302旋转，同时通过连接板306带动滚轮304绕着滚轮轴303在正弦滚轮轨道302内滚动；利用滚轮轴303与滚轮304之间、滚轮304与正弦滚轮轨道302之间的相对位移产生摩擦，从而将核岛上部结构2的旋转动能转化为摩擦热能；利用正弦滚轮轨道302的特点，核岛上部结构2随着正弦滚轮轨道302的轨迹不断上下升降，使得核岛上部结构2旋转动能一部分会转化为重力势能，而重力势能的形成，也增大了动能通过摩擦转换为摩擦热能的效率；同时有上下高度差的正弦滚轮轨道302会使核岛上部结构2在势能最低点处停止，从而保证了结构的复位功能。
37.如图6-7所示，所述气孔308分别布设在正弦滚轮轨道302与隔震支座301、核岛下部结构1，以及核岛上部结构2、正弦滚轮轨道302、滚轮304围成的空间内，以满足结构的排气排压需求。
38.具体的：
39.根据能量转化、重力势能和结构运动等工作原理，本发明包括核岛上部结构、核岛下部结构、层间隔震支座和内部核设施，即在传统层间隔震结构基础上，增加了包括制动系统、传感系统、正弦旋转运动系统、摩擦耗能系统等旋转抗冲击结构部件，形成层间隔震—旋转抗冲击新型结构。该新型结构通过传统层间隔震结构与旋转抗冲击结构的组合，实现了层间隔震—旋转抗冲击新型核电站结构。
40.在一般状态下，通过制动装置、正弦滚轮轨道结合弹簧拉杆，实现将核岛上部分与隔震支座刚性连接。弹簧拉杆布置在正弦滚轮轨道两侧，弹簧拉杆上端与核岛上部结构铰接，下部与正弦滚轮轨道两侧铰接。此时，弹簧拉杆处于预拉状态，可以保证层间隔震结构部分和核岛上部结构处于紧密连接状态，并且防止结构竖向受拉破坏。滚轮通过正弦滚轮轨道、隔震支座，将核岛上部结构压力传递至核岛下部结构，防止结构受压破坏。制动装置布置在隔震支座上表面，且置于滚轮的两侧，防止滚轮和核岛上部结构发生相对运动。并且制动装置配合正弦滚轮轨道将核岛上部结构剪力传递至隔震支座，防止风荷载引发破坏。通过弹簧拉杆的拉力与滚轮传递压力的共同作用，实现结构抗弯破坏和倾覆破坏。
41.在地震作用下，制动装置处于工作状态，可以防止滚轮和核岛上部结构发生相对运动，保证滚轮传递地震压力。弹簧拉杆工作，配合滚轮将竖向的拉压力通过正弦滚轮轨道传递至隔震支座，使隔震支座可以传递核岛上部结构与核岛下部结构之间的地震压力。在地震水平剪力作用下，隔震支座需要发生较大的剪切变形，发挥减震作用。此时，弹簧拉杆
与核岛下部结构上表面和核岛上部结构下表面的铰接连接，形成水平机构结构，避免影响隔震支座发生较大的剪切变形。此时，弹簧拉杆与滚轮—隔震支座传递压力的共同作用，保证防止上部结构抗弯破坏和倾覆破坏，并且不影响层间隔震结构的减震效果。
42.在冲击荷载作用下，通过冲击传感器判断，当冲击荷载较小或者作用在核岛下部结构时，制动装置和弹簧拉杆处于工作状态，采用传统的抵抗方法，防止冲击破坏；当冲击作用在上部结构且荷载较大时，放松制动装置，断开弹簧拉杆，使核岛上部结构可以旋转运动。在隔震支座上表面与核岛上部结构下表面，布置正弦滚轮轨道，可以防止运行旋转偏离圆形预定轨迹。在冲击功作用下，核岛上部结构发生正弦旋转运动，即滚轮沿着正弦轨道旋转运动，使作用在核岛上部结构的冲击能转化为旋转动能和重力势能。即上部结构沿着设置正弦滚轮轨道，核岛上部结构随着正弦刚度滚轮轨道的轨迹不断上下升降使得核岛上部结构旋转动能和重力势能。同时，重力势能的形成，也增大了动能通过摩擦转换为摩擦热能的效率，从而加速了核岛上部结构旋转动能的消耗，降低了冲击作用对核岛上部结构的撞击破坏。同时，有上下高度差的正弦滚轮轨道会使核岛上部结构在势能最低点处停止，从而保证了结构的复位功能。核岛上部结构有圆形的平面特征，当核岛上部结构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。
43.本技术方案保证了在正常状态、地震作用、冲击作用下本新型核电站结构的实现和工作，实现预期目标。
44.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。
45.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。