核電廠樓層反應(yīng)譜后處理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張潔 趙棟 常海風(fēng)

中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳518172

引言

核安全是核電產(chǎn)業(yè)的生命線，核電設(shè)計(jì)的安全可靠是核電安全的前提與保障［1］。日本福島核事故后，核電站結(jié)構(gòu)的抗震性能受到了極大的關(guān)注［2，3］，對(duì)核電廠結(jié)構(gòu)以及相關(guān)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析具有重要的意義。樓層反應(yīng)譜，即建筑物各樓層對(duì)于特定的地震震動(dòng)頻率的響應(yīng)曲線，是樓層樓板上的設(shè)備或管道抗震分析的地震輸入，是核電廠結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中很重要的組成部分［4］。國(guó)內(nèi)核電設(shè)計(jì)行業(yè)常采用SAP2000 軟件開(kāi)展樓層反應(yīng)譜計(jì)算，由于SAP2000 自身缺乏完善的后處理功能［5］，該軟件不能根據(jù)用戶的需求自動(dòng)提取、自定義生成數(shù)據(jù)以及分區(qū)域包絡(luò)。設(shè)計(jì)人員為了得到樓層反應(yīng)譜，常常面臨大量的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)導(dǎo)出、多點(diǎn)擬合處理和包絡(luò)平滑等。通常一個(gè)廠房的樓層反應(yīng)譜計(jì)算，需耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行重復(fù)的工作，效率低，人力成本高，同時(shí)容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤。本文通過(guò)研究SAP2000 API開(kāi)發(fā)技術(shù)，同時(shí)梳理并提出反應(yīng)譜后處理的思路及方法，研發(fā)出核電廠樓層反應(yīng)譜后處理系統(tǒng)，節(jié)約人力成本，讓設(shè)計(jì)人員更加專注于結(jié)果的分析判斷，可提升計(jì)算的準(zhǔn)確率，極大地提高樓層反應(yīng)譜計(jì)算的后處理效率。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 SAP2000 開(kāi)發(fā)技術(shù)

SAP2000 在11.0 版本后提供了SAP2000 開(kāi)發(fā)接口（即API）。用戶通過(guò)API可以編寫程序調(diào)用SAP2000 的內(nèi)部功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互以及操作自動(dòng)化［6］。

SAP2000 API開(kāi)發(fā)的方式有三種［7］：第一種是開(kāi)發(fā)SAP2000 軟件內(nèi)嵌的插件，可在SAP20000 主窗口的工具菜單中直接調(diào)用，界面統(tǒng)一；第二種是調(diào)用SAP2000 的內(nèi)部函數(shù)，開(kāi)發(fā)獨(dú)立的軟件程序界面，完成相關(guān)計(jì)算；第三種是基于AutoCAD、Word／Excel等第三方軟件的聯(lián)合開(kāi)發(fā)程序。SAP2000 API 開(kāi)發(fā)支持C＃、VB 等. NET框架語(yǔ)言。在SAP2000 的各種開(kāi)發(fā)方式和技術(shù)中，文獻(xiàn)［7］分析得出，采用C＃、VB 等語(yǔ)言編制插件類程序和Excel VBA 編程是目前使用較多的兩種方法。

針對(duì)樓層反應(yīng)譜后處理的需求，本文選擇上述的第一種內(nèi)嵌于SAP2000 的插件方式，鑒于VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)效率高，易于上手，本文采用VB作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，完成系統(tǒng)的研發(fā)。

1.2 樓層反應(yīng)譜提取及后處理方法

提取樓層反應(yīng)譜的流程如下：（1）在SAP2000 中建立三維結(jié)構(gòu)模型；（2）定義三條時(shí)程曲線，即將地震局提供的時(shí)程曲線導(dǎo)入到軟件中；（3）分析工況（核電行業(yè)設(shè)計(jì)常采用8 種工況進(jìn)行時(shí)程分析）；（4）確定載荷取值；（5）為了能夠反映在地震工況下樓層的整體反應(yīng)特性，在每層選取有代表性的反應(yīng)譜輸出點(diǎn)，依次輸出各點(diǎn)在不同地震工況下水平方向（X向、Y向）及垂直方向的反應(yīng)譜數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行包絡(luò)和平滑處理。

其中，在包絡(luò)和平滑中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)后處理方法有多種，通過(guò)對(duì)比采用如下處理過(guò)程：首先按照不同工況、阻尼比等的結(jié)果進(jìn)行匯總，然后對(duì)輸出的峰值按照規(guī)范要求拓展處理，最后對(duì)處理后的曲線進(jìn)行包絡(luò)。這種方式對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的峰值拓展考慮了安全裕度，能夠得到滿足規(guī)范要求、安全可靠的樓層反應(yīng)譜。具體過(guò)程為：讀取SAP2000 的反應(yīng)譜工況，在反應(yīng)譜工況下，對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行水平方向、豎直方向反應(yīng)譜包絡(luò)，準(zhǔn)確輸出擬合后的反應(yīng)譜數(shù)據(jù)和反應(yīng)譜圖形，其流程如圖1 所示。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用最為普遍的MVC 框架，基于SAP2000 軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由SAP2000 sdb 文件、XML文件構(gòu)成軟件的數(shù)據(jù)層，使用VB 語(yǔ)言構(gòu)建軟件的業(yè)務(wù)邏輯層，使用WinForm構(gòu)建軟件的表示層。

2 樓層反應(yīng)譜后處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)核電廠樓層反應(yīng)譜后處理的方法，數(shù)據(jù)后處理主要分為以下四個(gè)步驟：（1）反應(yīng)譜設(shè)置：指定坐標(biāo)點(diǎn)，建立幾何組，選取反應(yīng)譜工況部分，根據(jù)工況、節(jié)點(diǎn)、坐標(biāo)系類型、方向、反應(yīng)譜類型、阻尼等建立命名集，確定選擇集；（2）選擇集確認(rèn)：查看已設(shè)置的選擇集，進(jìn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)；（3）數(shù)據(jù)處理：結(jié)果集的比較，多個(gè)結(jié)果集數(shù)據(jù)同時(shí)輸出、建立折線圖；（4）包絡(luò)光滑：幾何組反應(yīng)譜數(shù)據(jù)的輸出、包絡(luò)處理、包絡(luò)圖。

2.1 反應(yīng)譜設(shè)置

反應(yīng)譜設(shè)置用于生成選擇集，對(duì)應(yīng)于SAP2000 的Display→Display Response Spectrum→Response Spectrum Generation 部分，分為基本設(shè)置和高級(jí)設(shè)置兩個(gè)部分，功能為創(chuàng)建幾何組（Group），對(duì)選中的節(jié)點(diǎn)集合，結(jié)合工況、方向、坐標(biāo)系、反應(yīng)譜類型、頻率／周期、阻尼、反應(yīng)譜擴(kuò)寬、比例系數(shù)、橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)選項(xiàng)，建立選擇集，界面如圖2 所示。

圖2 反應(yīng)譜基本設(shè)置Fig.2 Basic setting of response spectrum

在節(jié)點(diǎn)列表中選中部分節(jié)點(diǎn)，在工況列表框中選擇部分工況，復(fù)選方向，選擇坐標(biāo)系類型、反應(yīng)譜類型、頻率／周期、頻率／周期類型及數(shù)據(jù)、阻尼數(shù)據(jù)，輸入反應(yīng)譜擴(kuò)寬和比例系數(shù)，將為選中節(jié)點(diǎn)按照工況和方向的組合建立多個(gè)命名集。如果所選節(jié)點(diǎn)為1、2、3、4，所選工況為C1、C2、C3，所選方向?yàn)閄方向、Y方向，則將生成如表1 所示的命名集。

表1 命名集示例Tab.1 Examples of named sets

命名集的命名規(guī)則是以下劃線“_”區(qū)分命名集名稱，其含義如下：最后一個(gè)數(shù)字是方向（X＝1，Y＝2），倒數(shù)第二個(gè)數(shù)字是當(dāng)前工況在工況列表中的順序，倒數(shù)第三個(gè)數(shù)字是當(dāng)前命名集在當(dāng)前選擇集中的順序，倒數(shù)第四個(gè)部分是當(dāng)前選擇集在當(dāng)前幾何組的標(biāo)識(shí)，倒數(shù)第五個(gè)部分是當(dāng)前幾何組名稱。

高級(jí)設(shè)置提供按算術(shù)或者對(duì)數(shù)設(shè)置橫、縱坐標(biāo)，按數(shù)值或者序列調(diào)整頻率，通過(guò)輸入阻尼系數(shù)調(diào)整阻尼等使用頻率較低的功能操作。

2.2 選擇集確認(rèn)

由于后處理數(shù)據(jù)量大，涉及種類較多，因此在后處理前增加了選擇集確認(rèn)環(huán)節(jié)。該步驟旨在設(shè)計(jì)人員查看當(dāng)前已經(jīng)建立的選擇集，確認(rèn)當(dāng)前分析的命名集，檢查是否有誤，同時(shí)可以查看單獨(dú)命名集的詳細(xì)信息，界面如圖3 所示。

圖3 選擇集及信息顯示Fig.3 Display of selection and information

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理旨在確定比例因子和比較結(jié)果集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)首先確定比例因子，然后選擇數(shù)據(jù)比較中的組、命名集和節(jié)點(diǎn)，根據(jù)選擇情況，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較操作。通過(guò)界面顯示數(shù)據(jù)對(duì)比的折線圖和將結(jié)果集導(dǎo)出到Excel 生成精細(xì)化的折線圖兩種方式為設(shè)計(jì)人員提供便利且直觀的數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)圖4。

圖4 數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison of data

2.4 包絡(luò)平滑

包絡(luò)平滑旨在生成包絡(luò)折線圖和導(dǎo)出幾何組結(jié)果集到Excel。根據(jù)選中的幾何組，導(dǎo)出其選中的命名集的全部反應(yīng)譜數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)和放大后的數(shù)據(jù)），并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)，生成包絡(luò)圖。所有的幾何組數(shù)據(jù)均放在同一個(gè)Excel表中，不同的幾何組數(shù)據(jù)放在不同的sheet 表單中，界面如圖5 所示，在右側(cè)顯示包絡(luò)折線圖。結(jié)果集導(dǎo)出的Excel文件包含了以下內(nèi)容：原始反應(yīng)譜數(shù)據(jù)、原始反應(yīng)譜數(shù)據(jù)與比例因子相乘的數(shù)據(jù)集、幾何組的包絡(luò)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)及其包絡(luò)折線圖。

圖5 包絡(luò)平滑界面Fig.5 Interface of envelope smoothing

3 應(yīng)用效果

目前，該核電廠樓層反應(yīng)譜后處理系統(tǒng)已在紅沿河二期、防城港二期、三澳等實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)用。以三澳項(xiàng)目應(yīng)急指揮中心為例，該結(jié)構(gòu)有兩層，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要在每層選取N個(gè)有代表性的輸出節(jié)點(diǎn)，依次包絡(luò)出各節(jié)點(diǎn)在不同工況下的反應(yīng)譜曲線，進(jìn)而得到各層和屋面的反應(yīng)譜曲線向下游設(shè)計(jì)專業(yè)提供。按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）要求，加速度最大值按1（水平1）∶0.85（水平2）∶0.65（豎向）的比例進(jìn)行調(diào)整，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需按3 條時(shí)程曲線計(jì)算，共計(jì)24 種組合。若選取20 個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員需要借助EXCEL 功能對(duì)480 條反應(yīng)譜數(shù)據(jù)進(jìn)行人工包絡(luò)、篩選，整個(gè)過(guò)程工作量相當(dāng)大。使用本文推薦的方法和系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員能夠快速精確地完成樓層反應(yīng)譜數(shù)據(jù)設(shè)置和處理（整個(gè)過(guò)程在熟悉系統(tǒng)且需求明確的情況下耗時(shí)小于1min），并能夠直觀地得到和導(dǎo)出反應(yīng)譜曲線。系統(tǒng)導(dǎo)出的原始反應(yīng)譜數(shù)據(jù)、包絡(luò)反應(yīng)譜數(shù)據(jù)及其折線圖如圖6所示，經(jīng)與人工包絡(luò)的數(shù)據(jù)對(duì)比，該系統(tǒng)所包絡(luò)的反應(yīng)譜數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 導(dǎo)出的EXCEL 樓層反應(yīng)譜曲線Fig.6 Exported excel floor response spectrum curve

4 結(jié)語(yǔ)

本文梳理并提出樓層反應(yīng)譜后處理方法，應(yīng)用SAP2000 API開(kāi)發(fā)技術(shù)，研發(fā)出核電廠樓層反應(yīng)譜后處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)譜工況自動(dòng)提取、命名集自動(dòng)組合、周期或頻率批量生成、命名集對(duì)比及包絡(luò)圖生成等功能。通過(guò)實(shí)踐論證，該系統(tǒng)操作方便且邏輯符合工作習(xí)慣，簡(jiǎn)化了工作流程，保證了數(shù)據(jù)的一致性，降低了設(shè)計(jì)門檻，對(duì)比原來(lái)的方式，設(shè)計(jì)效率大大提升，通過(guò)友好的向?qū)浇缑妫档腿藶檎`操作，同時(shí)，提供日志記錄，實(shí)現(xiàn)了操作過(guò)程可追溯。