比较教学由探究和研讨两个基本环节构成，是提高教学质量的重要方法之一。比较教学可引导学生在探究活动中获取感性认识，在研讨过程中获取理性知识。探究和研讨紧密相连，探究得越充分，研讨就越深入，研讨越深入，建立的概念就会更清晰准确^[1]。在土木工程学科领域中，伍云天等人开展了比较教学研究，给出了适合中国国情的教育改革方案^[2]。何结兵应用比较教学，进行了超静定梁的教学方法研究，取得了很好的教学效果^[3]。

建筑结构抗震学科受结构动力特性与地震响应的相互影响，涉及结构动力学，一直是土木工程教学的难点^[4]。徐赵东等应用MATLAB软件，进行了建筑结构模型的振动控制分析^[5]。陈清军和李文婷应用ANSYS软件，探讨了结构动力学的多元化教学，取得了良好的效果^[6]。马乐为等基于脉冲频响函数，进行了结构的动力响应分析，为频域分析奠定了基础^[7]。熊森等基于传递函数，进行了结构动力响应计算分析，表明了频域分析的优越性^[8]。上述教学研究成果为计算机仿真教学奠定了基础，也为应用比较教学方法开展结构抗震教学提供了工具。基于此，针对核电站特殊抗震安全要求和地震随机性的实际情况，设计比较教学模型，应用建筑结构隔振减震新技术提高核电站安全水平，培养学生学习兴趣和创新能力，提高建筑结构抗震课程的教学质量。

AP1000核电站作为第三代核电站的代表^[9]，是中国和美国核工业科研人员合作的结晶。以AP1000核电站屏蔽厂房(如图 1)为研究对象，设计比较教学模型，通过比较各个模型在时域的地震响应，提高教学质量。

图 1(Figure 1)

图 1 AP1000核电站核岛剖面图

基于结构抗震规范，根据教学需要，设计四个分析模型。屏蔽厂房各部分之间采用固定连接的传统结构，如图 2(a)，即模型A，称为非隔震模型。保持结构其他部分不变，仅将模型A基础与地基的固定支座连接修改为隔震支座连接，构建BIS屏蔽厂房，如图 2(b)，即模型B，称为基础隔震模型。采用陈建云等AP1000核岛基础隔震研究成果，BIS屏蔽厂房的等效周期为1.56 s，等效阻尼比为10%^[10]。在保证重力水箱结构完整性的前提下，可以适当放大重力水箱及其液体水的地震响应。基于此，修改了重力水箱上部结构与下部结构的固定连接方式，采用可调整刚度和阻尼比的TMD支座连接，形成TMD结构，如图 2(d)，即模型D，称为TMD模型。将TMD结构与模型B基础隔震形式相结合，形成BIS-TMD结构，如图 2(c)，即模型C，称为BIS-TMD模型。

图 2(Figure 2)

图 2 各个模型的简化分析模型图

由于AP1000屏蔽厂房属于复杂结构，可采用集中质量简化模型和等价线性化模型，通过有限元分析给出各模型的简化分析模型和结构参数，详见图 2和表 1^[11]。

表 1(Table 1)

表 1 屏蔽厂房不同模型的结构参数 模型 结构名称 质量(t) 等效刚度(kN/m) 等效阻尼系数(kN.s/m) 重力水箱 晃动模态c 1.42x103 9.01x102 11.29 冲击模态i 1.45x103 3.61x106 2.89x103 模型A 整体结构SDA 2.19x104 9.73x106 4.62x104 模型B 上部结构SSB 2.19x104 9.74x106 4.62x104 隔震层结构SDB 1.24x103 4.12 x105 1.95x104 模型C 子结构SDC 0.45x104 4.60×104 1.07×104 主体结构SSC 1.87x104 4.12 x105 1.95x104 模型D 子结构SDD 0.45x104 8.29×105 4.03×104 主体结构SSD 1.74x104 7.73x106 3.67x104

表 1 屏蔽厂房不同模型的结构参数

各个模型j的运动方程统一表示为：

式中j = A, B, C, D; M_j为质量矩阵；C_j为阻尼矩阵；K_j为刚度矩阵；ι为影响系数向量；x_j、${\dot x_j} $、$ {\ddot x_j}$分别为模型j的相对位移、相对速度和相对加速度的向量；$ {\ddot x_g}$表示地震加速度，选用AP1000地震波。

在AP1000地震波作用下，应用式(1)计算给出模型j的基底剪力F_Sj(t)、主体结构相对位移dis_j(t)，分别见图 3(a)和图 3(b)，各个模型结构地震响应最大值见表 2。

图 3(Figure 3)

图 3 不同模型结构地震响应的时程图

表 2(Table 2)

表 2 不同模型地震响应最大值和地震响应比 单位：mm, KN 项目 模型A 模型B 模型C 模型D 最大值 最大值 最大值 最大值 基底剪力 2.21×105 0.60×105 0.39×105 0.95×105 主体结构位移 22.60 144.15 90.84 12.19 主体结构层间位移 22.60 10.32 8.21 12.19 主体结构加速度 9 355.1 2 628.8 2 007.4 5 341.0

表 2 不同模型地震响应最大值和地震响应比 单位：mm, KN

普通建筑的抗震设计方法通过结构变形和振动消耗地震输入能量，在极端地震作用下允许结构进入塑性阶段，甚至局部破坏阶段。

与普通建筑不同的是，核电站必须始终满足3项安全基本功能^[9]，其中任何一项基本功能失效，都会导致安全事故：(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，在有效时间范围内冷却系统能够安全地冷却堆芯，防止堆芯高温熔化；(3)具有包容密封功能，在任何情况下，应该将放射性物质包容在内安全壳内部，防止核辐射元素扩散。与核电站的三项安全基本功能一一对应，核电站必须满足的三项特殊抗震要求：(1)安全停堆功能要求，核设备与支撑结构不能有较大的相对位移、相对加速度和绝对加速度等地震响应；(2)余热导出功能要求，核支撑结构的地震响应应该控制在一定范围内，不允许发生结构破坏；(3)密封功能要求，保证内安全壳等结构不出现裂缝，或者较大的结构变形。

与普通建筑结构相比，核电站有更高的抗震要求，抗震设计方法和结构体系也有所不同，抗震设计还需要发展。

比较各个模型的基底剪力，从大到小依次为模型A、模型D、模型B、模型C，模型A的基底剪力最大，模型C的最小，仅为模型A的17.7%。

比较各个模型的结构位移，从大到小依次为模型B、模型C、模型A、模型D，模型B的结构位移最大，模型D最小。这主要是由于在TMD吸振作用下，模型D在基底剪力和主体结构位移两方面都有较好的减震效果。基础隔震有效地延长了结构周期，减小了基底剪力和加速度地震响应，但放大了结构位移。比较各个模型的层间位移，模型B和模型C的层间位移很小，这是因为隔震结构的位移主要集中在隔震层。

从不同模型的地震响应分析来看，采用隔震减震技术可以大幅减小核设备及支撑结构的地震响应，特别是BIS-TMD模型即模型C，减震效果最优，更好地综合了模型B和模型D的优点。

应用比较教学，通过比较不同模型的地震响应，比较普通建筑与核电站抗震要求的不同，有利于学生理解结构抗震课程的隔震减震技术教学内容，掌握隔震减震技术在减小结构地震响应中所发挥的作用，激发土木工程专业学生的科技创新兴趣和能力。